化学反应条件的优化——工业合成氨（讲义）一、知识点睛1.工业合成氨反应的限度（1）反应原理_________________________________已知298 K时，△H = -92.2 kJ·mol-1△S = -198.2 J·mol-1·K-1（2）反应方向的判断△H-T△S_____0，该反应在常温下_____自发进行。
（3）反应的限度分析①______温度、______压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动；②在一定温度、压强下，反应物N2、H2的体积比为1:3，反应达到化学平衡时，混合物中NH3的含量最高。
2.工业合成氨反应的速率（1）合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系v = k c(N2) c1.5(H2) c-1(NH3)（2）反应的速率分析①增大_________的浓度，有利于提高反应速率；②将_________及时分离，有利于提高反应速率；③______温度，有利于提高反应速率；④使用合适的_______，有利于提高反应速率。
3.工业合成氨的适宜条件（1）合成氨条件选择的理论分析外界条件有利于提高反应速率有利于平衡正向移动综合分析浓度增大反应物浓度减小生成物浓度增大反应物浓度减小生成物浓度不断补充反应物，及时分离生成物催化剂加合适催化剂不需要加合适催化剂温度高温低温兼顾反应速率和化学平衡，考虑催化剂的活性压强高压高压在设备允许情况下，尽量采用高压（2）合成氨的实际条件①压强：低压1×107 Pa中压2×107 ~3×107 Pa高压8.5×107 ~1×108 Pa②温度：700 K左右③催化剂：铁④浓度：N2与H2的物质的量之比为1:2.84.工业合成氨的主要生产流程（1）造气原料气中的N2来自于空气。
原料气中的H2来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。
以天然气为原料时，反应可简单表示为：CH4+H2O CO+3H2、CO+H2O CO+H2（2）净化消除造气过程中夹带的杂质，防止催化剂中毒。
（3）合成氨这部分包括NH3的分离，N2和H2的循环使用，利用反应产生的热预热合成气等。
5.工业生产中化学反应条件的优化需考虑的因素有：化学反应速率快、原料利用率高、催化剂活性高、现实设备允许。
二、精讲精练1.合成氨反应的特点是（）①可逆②不可逆③正反应放热④正反应吸热⑤正反应气体体积增大⑥正反应气体体积减小A．①③⑤B．②④⑥C．①③⑥D．④⑤⑥2.在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（）A．延长反应时间B．充入过量H2C．充入过量N2D．升高温度3.对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是（）①高温②低温③低压④高压⑤催化剂⑥加氨⑦除氨A．②④⑤B．②④⑦C．①④⑤D．②③⑥4.从化学反应速率和化学平衡两个角度考虑，合成氨应采用的条件是（）A．低温、高压、催化剂B．低温、低压、催化剂C．适宜温度、高压、催化剂D．高温、高压、催化剂5.工业上合成氨时一般采用700 K左右的温度，原因是（）①提高合成氨的速率②提高氢气的转化率③提高氨的产率④催化剂在700 K时活性最大A．只有①B．①②C．②③④D．①④6.工业合成氨反应中，使用催化剂和施以高压，下列叙述正确的是（）A．都能提高反应速率，都对平衡状态无影响B．都对平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用时间C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有加压对化学平衡状态有影响D．催化剂能缩短达到平衡状态所用时间，压强无此作用7.关于合成氨工业的下列说法正确的是（）A．合成氨工业的反应温度控制在400～500℃左右，因为该条件下氨的产率最高B．合成氨工业采用10～30 MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好C．由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的来说氨的产率很高D．从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业效率都很低8.传统合成氨工业需要高温、高压和催化剂的反应条件。
近来美国化学家使用新型铁系催化剂，在常温下合成了氨气。
下列说法正确的是（）A．新型合成氨方法是吸热反应B．新型合成氨方法可简化生产设备C．新型催化剂提高了N2和H2的转化率D．两种方法中该反应的化学平衡常数相等9.根据合成氨的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是（）A．研制耐高压的合成塔B．采用超大规模的工业生产C．研制耐低温复合催化剂D．探索不用N2、H2合成氨的新途径10.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得：（1）C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) △H>0（2）CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H<0工业生产中，欲提高CO转化率，可采用的方法是（）①降低温度②增大压强③使用催化剂④增大CO浓度⑤增大水蒸气浓度A．①⑤B．②③C．②④⑤D．③⑤11.工业合成氨技术是对人类的巨大贡献之一。
下面是合成氨的简要流程示意图：（1）合成氨反应原料气N2的制备方法是_______________，其中N2、H2的体积比高于1:3的原因是________________________________________________________。
（2）原料气中往往含有H2S、CO、CO2等杂质，必须除去这些杂质的目的是_____________________________。
（3）上述流程示意图中的催化剂是____________。
（4）热交换器的作用是_______（填字母）。
a．提高N2的转化率b．充分利用能源，降低成本c．提高产物的产率（5）沿X路线进入压缩机的物质是_________________，循环的目的是_________________________________。
12.有平衡体系CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H<0，为增加甲醇（CH3OH）的年产量，应采取的正确措施是（）A．高温、高压B．适宜的温度、高压、催化剂C．低温、高压、催化剂D．高温、高压、催化剂13.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) △H<0。
已知制备SO3过程中使用的催化剂是V2O5。
下表为不同温度和压强下SO2的转化率，试回答下列问题：1×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa 450℃97.5% 99.2% 99.6% 99.7%550℃85.6% 94.9% 97.7% 98.3% （1）实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，是由于______________________________。
（2）实际生产中采用的压强为常压，原因是_____________ ___________________________________________________________________________________________。
（3）根据化学原理综合分析，为了使SO2尽可能转化为SO3，可控制的条件是_______________________。
（4）在生产中常用过量的空气是为了__________________ _____________________________________________。
14.金属钾和金属钠的金属性相近，且钾比钠略强。
当利用金属钾和钠盐共融制金属钠时，发现钾和钠的共融体难以分离。
如调整温度到一定程度，则可利用金属钠和氯化钾反应制取金属钾。
物质K Na KCl NaCl熔点/℃63.65 97.5 770 801沸点/℃774 882.9 1500（升华）1413 （1）钠能制取钾的原因是_________________________。
（2）该反应制取钾的温度是_______。
A．97.8℃～770℃B．770℃～774℃C．774℃～882.9℃D．1413℃～1500℃（3）在制取钾的过程中，为了提高原料的转化率可以采取的措施是_____________________________________。
【参考答案】一、知识点睛1.（1）N2(g)+3H2(g)2NH3(g)（2）<0 能（3）①降低增大2.（2）①N2或H2②NH3③升高④催化剂二、精讲精练1. C2. C3. B4. C5. D6. C7. C8. B9. C10.A11.（1）分离液态空气法适当提高N2的比例，加快合成氨反应的进行（2）防止催化剂中毒（3）铁（4）b（5）N2、H2提高原料气的利用率12.B13.（1）在此温度下，催化剂活性最高（2）在常压下，SO2的转化率（97.5%）已经很高，若再加压，平衡正向移动效果不明显，且对设备要求高，成本高（3）450℃、常压、催化剂（4）增大O2的浓度，提高成本较高的SO2的转化率14.（1）产物钾为气体（2）C（3）及时分离出产物钾。