工业合成氨.docx

本讲教育信息】一. 教学内容：第 3 节 化学反应条件的优化－工业合成氨二. 教学目的：1. 了解工业生产条件选择的依据和原则2. 认识合成氨的化学原理，逐步掌握用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨 的条件3. 了解合成氨生产的主要流程三. 重点、难点：工业合成氨条件的选择过程四. 知识分析： (一)选取适应的反应条件的依据1. 从可逆性、反应前后气体的系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点2. 据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响，从速率和平衡的角度进行综合分 析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件外界条件有利于增大速率 的条件控制有利于平衡的条件控制综合分析结果浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度，减 小产物的浓度不断的补充反应物,及时的分离出 产物催化剂加合适的催化剂不需要加合适的催化剂温度高温△HV0低温兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适 宜温度△H>0高温在设备条件允许的前提下,尽量采 取高温并选取催化剂压强高压(有气体参 加)△n (g)VO 高压在设备条件允许的前提下,尽量采 取高压△n (g)>0 低压兼顾速率和平衡，选取适宜的压强二)合成氨的工业生产：1. 反应特点：N2 (g)+3H2 (g) 2NH3 (g)可逆反应，正向△ HVO,正向An (g)VO2. 反应的自发性和限度【算一算】已知在298K时，合成氨反应的AH =—92.2kJ・mol-1△S = —198.2J ・ K—1 ・ mol—1计算该反应在298K时能否自发进行？解答： AH—TAS = — 92.2kJ ・ mol—1 + 298K X 198.2J ・ K—1 ・ mol—1 = —33.1kJ ・ mol—1 VO,故该反应在298K时能自发进行。

又知，该反应在298K时的平衡常数K为：4.1 X106 (mol • L) -2由平衡移动原理可 知，欲提高氨的产率，应该采用高压、低温的条件由上述可以看出，合成氨反应在298K时，反应能自发进行，合成氨的反应限度也很大, 但是反应速率又如何呢？3. 反应速率 实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率公式为：V=kc（N2）c1-5（H2） c-1 （NH3） 据阿伦尼乌斯经验公式，高温和有催化剂将能提高其速率常数，加快反应速率；而加压 则能够更大程度上增大n2、h2的浓度，从而加快反应速率4. 各种外界条件对速率和平衡的具体影响：（1） 压强：温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但压强 越大需要的动力越大，对材料的压强和设备的制造要求越高，一般采用2X107~5X107Pa（2） 温度：从平衡的角度考虑，合成氨低温有利，但是温度过低反应速率很慢，需要 很长时间才能达到平衡，很不经济，所以实际生产中，采用500°C左右的适宜温度（在此温 度时催化剂的活性最大）3） 催化剂：为了加快反应速率，采用以铁为主的铁催化剂4） 浓度：不断的补充氢气和氮气，及时的分离出氨气。

5. 合成氨的适宜条件：500C、铁触媒、2X107〜5X107Pa:循环操作过程：^与H浓度 比约为1 ： 3 （因为在一定温度和压强下，原料气配比符合化学方程式中帀勺系数比时，产物 的平衡产量可达最高值，实际为1 ： 2.8）6. 生产流程：（1）造气 原料气中的氮气来自于空气，而氢气来自于含氢的天然气、煤、炼油产品 以天然气为原料时，反应可简单表示为：o=c°+3H2 CO+H2O-CO2±H-（2）净化：消除造气过程夹带的杂质，防止催化剂中毒3）合成氨：包括终端产品——氨的分离，氮气、氢气的循环利用，热交换原理的应 用等典型例题】例1.在一定条件下，可逆反应N2 （g）+3H2 （g） 2NH3 （g）（正反应放热）达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述中错误的是（ ）A. 加催化剂， v 、 v 都变化，且变化的倍数相等正逆B. 加压， v 、 v 都增大，且 v 增大的倍数大于 v 增大的倍数正 逆 正 逆C. 降温， v 、 v 都减小，且 v 减小的倍数大于 v 减小的倍数正 逆 正 逆D. 加入氩气，v、v都增大，且v增大的倍数大于v增大的倍数正 逆 正 逆解析：催化剂的加入，同等倍数的改变正、逆反应速率， A 正确:而加压，平衡将向右 移动，故v增大的倍数大于v增大的倍数，B正确；降温，平衡向放热的方向 向右移正逆动，v减小的倍数小于v减小的倍数，C错误；恒温、恒容通氩气，各物质浓度不变，平 正逆衡不移动， v 、 v 都不变， D 错误。

正逆答案：CD点评：本题考查外界条件对化学反应速率的影响规律，要注意结合平衡移动原理来进行分析例2.合成氨工业中，常加热至500C,下列有关叙述正确的是（）A. 为加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间B. 加快 v ，减小 v正逆C. 使平衡向合成氨的方向移动D. 提高原料转化率解析：合成氨是放热反应，采用500r的高温，从化学平衡上看，由于合成氨反应放热， 不利于氨的合成但是为了提高反应速率，更快、更多的生成氨，也采用适当的高温答案： A 点评：工业反应条件的选择，要综合反应的限度、速率甚至设备等因素一起考虑，不能 单方面考虑问题例3.在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中NH3的体积分数为25%若反 应前后保持条件不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是( )A. 1/5 B. 1/4 C. 1/3 D. 1/2解析：设平衡后混合气体的体积为lOOmL，则其中氨的体积为25mL由反应的化学方程式N2 + 3H2 2NH3可以看出，每生成2体积的NH3，反应体系的总体积也缩小2体积，从而推知，反应后缩小的气体体积和平衡后混合气体中 NH3 的体积相等，即缩小的 气体体积为25mL，则反应前的气体体积为100mL+25ml=125mL•反应后缩小的气体体积与 原反应物体积的比值是25 : 125 = 1/5，即选项A正确。

答案： A点评：本题考查“差量法”的灵活应用例4.在容积相同的四个容器中，按下列要求充入各气体，并加入适当的催化剂，在400r 时分别建立平衡，四种情况下h2的转化率由大到小的顺序是 ① 1molN +3H ② 2molN +3H ③ 1molN +4H ④ 1molN +4H +0.5molNH2 2 2 2 2 2 2 2 3解析：②是在①中增加n2,故h的转化率增大，即②，①③是在①中增加h2,故 h2的转化率减小，即①，③而④是在③基础上增加氨，平衡向逆反应方向移动，h2的转 化率变小，有③，④由此可知h2的转化率由大到小顺序为④答案：②，①皿皿 点评：改变相关物质的浓度，化学平衡发生移动，这是考虑这类问题的出发点模拟试题】一. 选择题：1. 在密闭容器中进行合成氨的反应，达到平衡后，将体系中各物质的浓度增大到原来的 2 倍，则产生的结果是( )A. 平衡向正反应方向移动 B. 平衡向逆反应方向移动C.平衡不移动 D. NH3的百分含量增加2. 合成氨所需要的氨气可由煤与水反应制得，其中有如下反应：CO (g)+ H2O (g) = CO2 (g)+H2 (g),AH>0.欲提高CO的转化率可采用的方法是()①降低温度 ②增大压强7③使用催化剂 ④增大CO的浓度 ⑤增大水蒸气的浓 度A. ①②③ B. ④⑤ C. ①⑤ D. ⑤3. 下列有关合成氨工业的说法中，正确的是( )A. 从合成塔出来的混合气体。

其中氨气只占 13%－14%，所以生产氨的工厂的效率都 很低B. 由于氨易液化，氮气、氢气是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高C. 合成氨反应温度控制在500r左右，目的是使化学平衡向正方向移动D. 合成氨采用的压强是2X107〜5X107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大4. ImolN,和3molH,混合发生反应N2 + 3H2 2NH3，达到平衡时，测得平衡混合物的密度是同温•同压下H2的5倍，则N2的转化率为()A. 75% B 25% C 30% D 10%5. 有平衡体系CO (g)+2H2 (g) CH3OH (g),AHVO为了增加甲醇的日产量，从理论上来讲应该采取的正确措施是( )A. 高温、高压 B. 适宜的温度、高压、催化剂C. 低温、高压 D. 高温、高压、催化剂6. 以焦炭为主要原料合成氨，为了使通入合成塔的N2和H2保持1： 3的体积比，则焦 炭与空气的物质的量之比约为( )A. 1 : 3 B. 3 : 2 C. 6 : 5 D. 4 : 37. 在一定条件下，向密闭容器中加入30mLCO和20mL水蒸气，使其发生反应，当CO(g)+H2O (g) CO2 (g)+H2 (g)达到平衡时，水蒸气的体积分数与H2的相等,则下列叙述错误的是( )A. 平衡后 CO 的体积分数为 4O%C. 平衡后水蒸气的转化率为 5O%B. 平衡后 CO 的转化率为 25%D. 平衡后混合气体的平均相对分子质量为 248.在一定条件下，可逆反应A (g)+3B (g) 2C (g)达到平衡时有50%的B转化为气体C。

若A的转化率为25%,则起始时冲入容器中的A与B的物质的量之比为()A. 3 : 2B. 1 : 2 C. 1 : 3 D. 2 : 39.将混合物A放入密闭容器中加热，在一定条件下存在如下两种平衡：A (s) 2B(g)+C (g) 2C (g) D (g)+3E (g)经测定，这时 C 的浓度为 0.01mol ・ L-1，E 的浓度为0.015 mol・L-1，则B的浓度()A. 0.02 mol • L-1 B. 0.025 mol • L-1 C. 0.03 mol • L-1 D. 0.04mol • L-110.在带有活塞的密闭容器中加入5molH^和5molN2，在某温度下反应生成2molNH3，若 此时容器的压强不变，则容器的体积是反应前的( )A. 2 倍B. 1.5倍 C. 0.8倍 D. 0.5 倍二. 填空题：1. 在体积为VL的密闭容器中，充入a molN2和b molH?,经3分钟生成c molNH32 2 31) v (N2)应表示为 (2) H2的转化率为 (3) NH3的体积分数为 (4)反应前后的压强比为 2. 在密闭容器中，N2、H2起始的物质的量分别为10mol、30mol,达到平衡时N2的转化率为25%，若反应从NH3的分解开始，在相同条件下欲使平衡时各成分百分含量相同，则 应加入氨的物质的量为 ，氨的转化率为 。

3. 在 830K 时，下列反应的平衡体系具有某些特殊性：CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g)①若起始浓度分别为c (CO)=3 mol・ L-1，c (H2O)=0.75mol・L-1，达到平衡后 CO 的转化率为 20%②若起始浓度分别为c (C0)=3 mol・L-1, c (H2O)=4.5mol・L-1,达到平衡后CO 的转化率为 60%设 830K 时，以起始浓度分别以 c (CO)=3a mol • L-i, c (H2O)=b mol • L-i 投料， 发生以上反应，测得平衡后c (H2)=c mol • L-i. 2请注意上述数据，总结出其中规律，填写以下空白。