2022年高二化學(xué) 合成氨條件的選擇知識(shí)精講 人教版第二冊(cè)

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1、2022年高二化學(xué) 合成氨條件的選擇知識(shí)精講 人教版第二冊(cè) 【本講教育信息】 一. 教學(xué)內(nèi)容: 合成氨條件的選擇 二. 重點(diǎn)、難點(diǎn) 1. 使學(xué)生理解合成氨的化學(xué)原理,并能應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡理論,選擇合成氨的適宜條件,從而培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。 2. 了解合成氨工業(yè)生產(chǎn)的主要流程。 3. 向?qū)W生介紹我國解放后合成氨工業(yè)的發(fā)展情況,對(duì)學(xué)生進(jìn)行愛國主義教育。 三. 具體內(nèi)容 (一)原理?? 1體積? ? 3體積???????? 2體積(正反應(yīng)放熱) 合成氨反應(yīng) 分析角度 反應(yīng)要求 外界條件 使氨生成得快 (

2、從化學(xué)反應(yīng)速率分析) 使氨生成得多 (從化學(xué)平衡分析) 壓強(qiáng) (高壓) (高壓) 溫度 (高溫) (低溫) 是否要用催化劑 (使用) (不影響) (二)適宜條件的選擇 1. 壓強(qiáng)。增大壓強(qiáng),有利于的合成,但在實(shí)際生產(chǎn)中,壓強(qiáng)不可能無限制的增大,因?yàn)閴簭?qiáng)越大,需要的動(dòng)力越大,對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求也越高,勢(shì)必增大生產(chǎn)成本,降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。因此,受動(dòng)力、材料、設(shè)備等條件的限制,目前我國合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)是。 2. 溫度。合成氨為放熱反應(yīng),低溫有利于氨的生成。但是溫度越低,反應(yīng)速率越慢,到達(dá)平衡所需要的時(shí)間越長,因而單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量低,這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)

3、濟(jì)的。綜合考慮各種因素,在實(shí)際生產(chǎn)上,采用500℃的溫度,此時(shí)催化劑的活性最大。 3. 催化劑。由于分子非常穩(wěn)定, 與 的化合十分困難,即使采用了加熱與高壓的條件,合成氨的反應(yīng)還是十分緩慢。為了加快化合反應(yīng)速率,降低反應(yīng)所需要的能量,合成氨工業(yè)普遍使用鐵觸媒作催化劑。 合成氨的化學(xué)反應(yīng)原理可以用以下化學(xué)方程式表示: (三)綜合分析: 1. 增加與的體積比,并不斷分離出,同時(shí)補(bǔ)充和的濃度。 2. 增大壓強(qiáng)為設(shè)備鋼板能承受的程度,一般為~。 3. 由于催化劑活性的需要應(yīng)掌握在500℃。 【典型例題】 [例1] 在某容積一定的密閉容器中,可逆反應(yīng):,符合下列圖象(I)所示

4、關(guān)系。由此推斷對(duì)圖象(II)的正確說法是( ) A. ,Y軸表示A的轉(zhuǎn)化率 B. ,Y軸表示B的百分含量 C. ,Y軸表示混合氣體的密度 D. ,Y軸表示混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量 I II 解析:依圖(I)中,確定P,看T1、T2曲線,先拐說明先達(dá)到平衡,由此可知;同樣確定T,看P1、P2曲線,由先拐先平,可知;再觀察曲線與縱坐標(biāo)關(guān)系,可知當(dāng)T↑c(diǎn)%↓,則平衡向左移動(dòng),正反應(yīng)為放熱反應(yīng),P↑c(diǎn)%↑,則平衡向右移動(dòng),,。由圖(I)所得結(jié)論,分析圖II,可

5、知y代表A的轉(zhuǎn)化率,還可表示混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量。 答案:A、D [例2] 將加入到V升的反應(yīng)器中,在高溫下放電,經(jīng)建立了平衡體系: ,此時(shí)測(cè)知的轉(zhuǎn)化率為30%,下列圖象能正確表示氣體的物質(zhì)的量濃度(m)跟時(shí)間(t)的關(guān)系的是( ) A B C D 解析:根據(jù)題意可知如下幾點(diǎn): (1)O2轉(zhuǎn)化率為30%。 (2)開始反應(yīng)器中無O3,經(jīng)計(jì)算又可知,但平衡時(shí),則A、B、D錯(cuò)誤。 答案:C

6、 [例3] 在容積不同的密閉容器內(nèi),分別充入同量的和,在不同溫度下,任其發(fā)生反應(yīng):,并分別在t秒時(shí)測(cè)定其中的體積百分含量,如圖。 (1)A、B、C、D、E五點(diǎn)中,尚未達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的點(diǎn)是 。 (2)此可逆反應(yīng)的正反應(yīng)是 (反應(yīng))(填“放熱”或“吸熱”)。 (3)A、C段的曲線是增函數(shù),C、E段曲線是減函數(shù),試從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的角度說明理由: 。 解析:首先弄懂此圖的涵義,從0→C是平衡前,由于正反應(yīng)是放熱反應(yīng),隨反應(yīng)進(jìn)行,%↑,T升高,從C→E是平衡時(shí),T升高,平衡向←移動(dòng),%下降。 答案: (1)A、

7、B; (2)放熱; (3)C點(diǎn)生成%最高,是平衡點(diǎn),在A——C段平衡前,C——E段升高溫度,%含量減少,正向放熱,升溫平衡逆向移動(dòng)。 [例4] 合成氨所用的可由煤與水反應(yīng)制得,其中有一步反應(yīng)為,欲提高CO轉(zhuǎn)化率可采用的方法有:① 降低溫度;② 增加壓強(qiáng);③ 使用催化劑;④ 增大CO的濃度;⑤ 增大水蒸氣的濃度;其中正確的組合是( ) A. ①②③④⑤ B. ①⑤ C. ①④⑤ D. 只有⑤ 解析:該反應(yīng)是一個(gè)氣體總體積不變的放熱反應(yīng),欲提高CO的轉(zhuǎn)化率,可設(shè)法使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng),顯然降低溫度可以滿足這一要求,增加水蒸氣的濃度,平衡向正反

8、應(yīng)方向轉(zhuǎn)動(dòng),CO的轉(zhuǎn)化率也可以增大;但若增加CO的濃度,平衡雖然向右移動(dòng),但CO的總量增大,其轉(zhuǎn)化率反而減小,增大壓強(qiáng)的使用催化劑的操作只能加快反應(yīng)速率,縮短達(dá)平衡的時(shí)間,而與平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率無關(guān)。 答案:B [例5] 下列事實(shí)不能用勒沙特列原理解釋的是( ) A. 加入催化劑有利于合成氨的反應(yīng) B. 高壓有利于合成氨的反應(yīng) C. 500℃有利于合成氨的反應(yīng) D. 將混合氣體中的氨氣液化有利于合成氨反應(yīng) 答案:AC 解析:合成氨的反應(yīng)是一個(gè)氣體體積縮小的放熱反應(yīng),加壓能使平衡向生成氨的方向移動(dòng),升溫不利于生成氨,但能使催化劑活性大,提高反應(yīng)速率;將氨液化降低氨氣濃度

9、,平衡向生成氨氣方向移動(dòng);催化劑只能提高反應(yīng)速率,縮短達(dá)到平衡的時(shí)間。 [例6] 在一定條件下,合成氨反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài),此時(shí),再進(jìn)行如下操作,平衡不發(fā)生移動(dòng)的是( ) A. 恒溫、恒壓時(shí),充入NH3 B. 恒溫、恒容時(shí),充入N2 C. 恒溫、恒壓時(shí),充入He D. 恒溫、恒容時(shí),充入He 解析:在一定溫度下,向平衡混合氣體中加入不參與反應(yīng)的氣體,若體積未改變,則對(duì)平衡無影響;若體積增大,則對(duì)平衡有影響,其影響情況與不加入該氣體而增大體積時(shí)對(duì)平衡的影響情況相同。   同時(shí)改變影響平衡的兩個(gè)條件時(shí),為使平衡移動(dòng)情況變得有規(guī)律可循,一般需要設(shè)計(jì)另外一條到達(dá)同一平衡狀態(tài)的途徑,

10、即先只改變其中一個(gè)條件,再改變另一個(gè)條件。   該題需應(yīng)用平衡移動(dòng)原理對(duì)題給選項(xiàng)逐項(xiàng)分析。A項(xiàng),充入NH3會(huì)改變NH3的濃度,對(duì)平衡有影響;為保持恒壓,須增大體積,對(duì)平衡也有影響。為便于判斷平衡移動(dòng)的方向,可這樣設(shè)想:先在恒溫、恒容下充入NH3,這時(shí)由于NH3的濃度增大,平衡會(huì)向NH3分解的方向移動(dòng);再在恒溫下增大體積(即減小壓強(qiáng)),使壓強(qiáng)與原平衡相等,這時(shí)平衡也會(huì)向NH3分解的方向移動(dòng).所以,在恒溫、恒壓下充入NH3,會(huì)使平衡向NH3分解的方向移動(dòng)。B項(xiàng),在恒溫、恒容下充入N2,會(huì)使N2的濃度增大、從而使平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。C項(xiàng),He不參與化學(xué)反應(yīng),但在恒溫、恒壓下充入He,必須引

11、起體積增大,這如同減小平衡混合氣體的壓強(qiáng),平衡會(huì)向NH3分解的方向移動(dòng)。D項(xiàng),在恒溫、恒容下充入He,由于平衡混合物中任一組分的濃度均未改變,所以平衡不移動(dòng)。應(yīng)選D。   答案:D 【模擬試題】(答題時(shí)間:40分鐘) 一. 選擇題(每小題有一個(gè)或兩個(gè)選項(xiàng)符合題意) 1. 在N2+3H2 2NH3(正反應(yīng)為放熱)的平衡體系中,保持溫度不變,充入氬氣,使容器體積和壓強(qiáng)均增大一倍,此時(shí)平衡將( ) A. 不移動(dòng) B. 向正反應(yīng)方向移動(dòng) C. 向逆反應(yīng)方向移動(dòng) D. 不能確定是否移動(dòng) 2. 工業(yè)上合

12、成氨時(shí)一般采用500℃左右的溫度,其原因是( ) ① 適當(dāng)提高氨的合成速率, ②提高H2的轉(zhuǎn)化率, ③ 提高氨的產(chǎn)率, ④ 催化劑在500℃時(shí)活性最大 A. ①     B. ①② C. ②③④    D. ①④ 3. 在合成氨工業(yè)中,實(shí)現(xiàn)下列目的變化過程中與平衡移動(dòng)無關(guān)的是( ) A. 為增加NH3的日產(chǎn)量,不斷將NH3分離出來 B. 為增加NH3的日產(chǎn)量,使用催化劑 C. 為增加NH3的日產(chǎn)量,采用500℃左右的高溫 D. 為增加NH3的日產(chǎn)量而采用2×107~5×107Pa的壓強(qiáng) 4. 在帶有活塞的密閉容器中壓入5mo

13、lH2和5molN2,在某溫度下經(jīng)反應(yīng)生成2mol NH3,若此時(shí)容器的壓強(qiáng)不變,則容器體積是反應(yīng)前的( ) A. 2倍   B. 1.5倍 C. 0.8倍    D. 0.5倍 5. 合成氨所需的氫氣由煤與水發(fā)生反應(yīng)制得,其中一步反應(yīng)為:CO+H2OCO2+H2(正反應(yīng)為放熱),要使CO轉(zhuǎn)化率提高,可采用下列措施中的( ) A. 增大水蒸氣的濃度 B. 增大CO的濃度 C. 降低溫度 D. 增大壓強(qiáng) 6. 將含1mol NH3的密閉容器a加熱,部分NH3分解,并達(dá)到平衡,此時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)是x%。若在該容器中加

14、入2mol NH3后密封,加熱到相同溫度,使反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),設(shè)此時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)為y%,則x和y的正確關(guān)系是( ) A. x>y    B. x<y C. x= y     D. x≥y 7. 在一定條件下,可逆反應(yīng)x(氣)+3y(氣)2z(氣)達(dá)到平衡時(shí),有37.5%的y轉(zhuǎn)化為z,有25%的x轉(zhuǎn)化為z。則起始時(shí),充入容器中的x和y的物質(zhì)的量之比為( ) A. 1:3     B. 3:1 C. 3:2    D. 1:2 8. 在固定容積的密閉容器中,氮與氫合成氨的反應(yīng)達(dá)到了平衡,此時(shí)容器中含有0.1mol N2、0.3mol H2和

15、0.1mol NH3,若維持原來的條件,向該容器中再同時(shí)加入0.1mol N2、0.3mol H2和0.1mol NH3,則( ) A. 正、逆反應(yīng)速率同時(shí)增大,化學(xué)平衡不移動(dòng) B. 正、逆反應(yīng)速率同時(shí)增大,混合氣體中NH3的體積分?jǐn)?shù)增大 C. 正、逆反應(yīng)速率同時(shí)增大,化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng) D. 正、逆反應(yīng)速率不變,化學(xué)平衡不移動(dòng) 9. 下面是合成氨的簡要流程示意圖: 沿X路線回去的物質(zhì)是( ) A. N2和H2 B. 催化劑 C. NH3 D. H2 10. 工業(yè)上用以合成氨的原料氣——?dú)錃?,來源之一是取自石油氣?/p>

16、如用丙烷在一定條件下與水反應(yīng):C3H8+H2O→CO2+H2,按此原理1mol丙烷最多可制氨氣約為( ) A. 4mol   B. 10mol C. 2.7mol    D. 6.6mol 二. 填空題 11. 工業(yè)上合成氨的反應(yīng)為N2(氣)+3H2(氣)2NH3(氣)反應(yīng)放熱92.4kJ。 (1)使用鐵觸媒作催化劑是為了________。 (2)通常采用2×107Pa~5×107Pa的壓強(qiáng),原因是________。 (3)選擇500℃左右的溫度進(jìn)行反應(yīng),是由于________。 (4)將生成的氨及時(shí)從混合氣中分離出來,原因是________。 12. 在標(biāo)

17、準(zhǔn)狀況下,將67.2L氮?dú)夂?4.8L氫氣混合,在一定條件下使之反應(yīng)合成氨氣,反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),測(cè)得反應(yīng)后的混合氣體中氨的體積分?jǐn)?shù)為30%。 (1)平衡時(shí)反應(yīng)混合物在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的總體積是________。 (2)平衡時(shí)混合氣體中氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)是 。 13. 合成氨工業(yè)采用高壓條件進(jìn)行反應(yīng);接觸法制硫酸工業(yè)采用常壓條件進(jìn)行反應(yīng),其理由是________。 三. 計(jì)算題 14. 將N2和H2按一定比例混合,在相同狀況下其密度是H2的3.6倍。取0.5mol該混合氣體充入密閉容器內(nèi),使之發(fā)生反應(yīng)并在一定條件下達(dá)到平衡。已知反應(yīng)達(dá)平衡后容器內(nèi)壓強(qiáng)是相同條件下反應(yīng)前壓強(qiáng)的0.76倍。

18、試求: (1)反應(yīng)前混合氣體中N2和H2的體積比; (2)達(dá)到平衡時(shí)混合氣體中氨的物質(zhì)的量; (3)平衡時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率。 15. 在密閉容器中充入體積比為1:3的N2、H2,平衡時(shí)測(cè)得混合氣體中NH3的體積分?jǐn)?shù)為20%,則此時(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng)與開始時(shí)的壓強(qiáng)比是多少? 16. 有平均式量為8.5的氫氮混合氣體,通過合成塔后出來的混合氣體的平均式量為9.4,求H2的轉(zhuǎn)化率。 【試題答案】 一. 1. C  2. D  3. B、C  4. C  5. A、C  6. B  7. D 8. B  9. A  10.

19、D 二. 11. (1)提高反應(yīng)速率。 (2)該反應(yīng)是一個(gè)氣體體積數(shù)減小的反應(yīng),增大壓強(qiáng),有利于平衡向右移動(dòng)。 (3)合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng),溫度升高,不利于氨的生成,但溫度過低,反應(yīng)速率很慢,故需采用500℃左右的適宜溫度,且500℃左右時(shí)催化劑的活性最大。 (4)減小生成物氨的濃度,有利于化學(xué)平衡向右移動(dòng)。 12. (1)86.2L (2)62.96% 13. 合成氨的反應(yīng)是一個(gè)氣體體積減小的反應(yīng),高壓有利于平衡向右移動(dòng),制SO3的反應(yīng):2SO2+O2 2SO3盡管也是一個(gè)氣體體積減小的反應(yīng),但在常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已較高。 三. 14. (1) (2) (3) 15. 16. 19.15%

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