高考化学考点解析例题精讲与训练合成氨条件的选择.docx
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高考化学考点解析例题精讲与训练合成氨条件的选择
高考化学考点解析、例题精讲与训练:
合成氨条件的选择
1.复习重点
1.如何应用化学反应速率和化学平衡原理,选择合成氨的适宜条件。
2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。
2.难点聚焦
1.合成氨条件的选择
工业上用N2和H2合成氨:
N2+3H22NH3+Q
从反应速率和化学平衡两方面看,选择什么样的操作条件才有利于提高生产效率和降低成本呢?
从速率看,温度高、压强大(即N2、H2浓度大)都会提高反应速率;
从化学平衡看,温度低、压强大都有利于提高N2和H2的转化率。
可见,压强增大,从反应速率和化学平衡看都是有利于合成氨的。
但从生产实际考虑,压强越大,需要的动力越大,对材料的强度和设备的制造要求越高,将使成本增大。
故一般合成氨厂采用的压强是20~50MPa帕斯卡。
而温度升高,有利于反应速率但不利于N2和H2的转化率。
如何在较低的温度下保持较大转化率的情况下,尽可能加快反应速率呢?
选用合适的催化剂能达到这个目的。
那么,较低的温度是低到什么限度呢?
不能低于所用催化剂的活性温度。
目前使用的催化剂是以铁为主体的多成分催化剂——又称铁触媒。
其活性温度为450℃~550℃,即温度应在450~550℃为宜。
将来如制出活性温度更低、活性也很在的新型催化剂时,合成氨使用的温度当然比现在要低,转化率就能更高了。
选择适宜的条件:
根据N2+3H22NH3+Q这一反应的特点,运用化学反应速
率和化学平衡的理论来选择适宜条件。
该反应为可逆、体积减小、正反应为放热等特点。
(1)适宜的压强:
为何强调适宜?
压强越大、有利于NH3的合成,但太大,所需动力大,材料强度高,设备制造要求高,成本提高,选择2×107~5×107Pa压强。
思考:
工业上生产H2SO4:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)为何不采用加压方法?
(因为在常压下SO2的转化率已达91%,不需要再加压)
(2)适宜的温度:
温度越低越有利于NH3的合成,为何还要选择5000C高温?
因为温度越低,反应速率越小,达平衡时间长,单位时间产量低,另外5000C时,催化剂活性最大。
(3)使用催化剂
(4)及时分离出NH3,并不断补充N2和H2(N2要过量,提高成本较高的H2转化率)
小结:
合成氨的适宜条件:
压强:
20~50MPa帕斯卡
温度:
500℃左右
催化剂:
铁触媒
2.合成氨工业简述
蒸发
1.原料气的制备、净化
压缩
①制N2:
物理方法:
空气液态空气N2
(去CO2)
燃烧
炭
化学方法:
空气CO2+N2N2
H2O
②制H2:
(去CO2)
催化剂
赤热炭
水蒸气CO+H2CO2+H2H2
催化剂
反应方程式为:
△
△
C+H2O(g)====CO+H2;CO+H2O(g)====CO2+H2
注意:
制得的N2、H2需要净化,清除杂质,以防止催化剂“中毒”。
2.合成氨反应的特点
化学反应:
N2+3H2
2NH3;△H=-92.4KJ/mol
(1)可逆反应;
(2)正反应是放热反应;(3)正反应是气体体积缩小的反应。
3.工业合成氨适宜条件的选择
在实际生产中,需要考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等多方面情况,以确定最佳的生产条件。
4.图示合成氨的原理
3.例题精讲
例1下列说法,能够用勒沙特列原理来解释的是()
A.加入催化剂可以提高单位时间氨的产量
B.高压有利于氨的合成反应
C.500℃高温比室温更有利于合成氨的反应
D.恒温恒容下,在合成氨平衡体系中充入He,使压强增大,则平衡正向移动,NH3增多
[解析]
A.加入催化剂只能加快反应速率,缩短到达平衡的时间,提高“单位时间”的产量,不能使化学平衡发生移动。
注意:
催化剂能相同倍数地改变正、逆反应速率,故而不改变化学平衡状态。
B.合成氨是一个气体体积减小的反应,所以增大压强,使平衡正方向移动,有利于合成氨,符合勒沙特列原理。
C.因为合成氨是一个放热反应,所以从化学平衡移动角度分析,应采用较低温度。
500℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动。
采用500℃既考虑到温度对速率的影响,更主要的是500℃左右催化剂活性最大。
D.恒温恒容下充He,惰性气体He不与N2、H2、NH3反应。
虽总压强增大了,实际上平衡体系各成分浓度不变(即分压不变)所以平衡不移动,NH3的产量不变。
[答案]B
[点评]
勒沙特列原理是说改变影响平衡的一个条件,平衡就向能够减弱这种改变的方法移动。
不要混淆影响速率的条件和影响平衡的条件。
例2:
合成氨工业中,原料气(N2,H2及少量的CO,NH3的混合气)在进入合成塔前常用乙酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中CO,其反应为:
[Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3
[Cu(NH3)3]Ac·CO;△H<0
(1)必须除去原料气中CO的原因是什么?
(2)吸收CO的生产适宜条件是什么?
(3)吸收CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用,再生的适宜条件是什么?
[解析]
合成氨工业中要使用催化剂,某些物质会使催化剂的活性降低甚至消失,从而发生催化剂中毒。
故必须除去原料气中CO。
根据吸收原料气中CO的反应方程式:
[Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3
[Cu(NH3)3]Ac·CO;△H<0
可知,加压和采取较低的温度可使平衡向正反应方向移动,有利于CO的吸收。
要使吸收CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用,只要使平衡向逆反应方向移动即可。
答案:
(1)防止催化剂中毒;
(2)低温、高压;(3)高温、低压。
[点评]在实际工业生产过程中,适宜生产条件的选择需要考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等多方面因素。
例3温度、催化剂不变,向某一固定体积的密闭容器内按下列各组物质的量加入H2、N2、NH3,反应达平衡时;氨气浓度最大的一组是()
A
B
C
D
H2
6
1
3.5
5
N2
2
0
1
1.5
NH3
0
4
2
1
[分析]2NH3N2+3H2.根据反应“一边倒”换算.
B026+1=7
C023+3.5=6.5
D021.5+5=6.5
由此可知,符合题意的是B.
[解答]B
[小结]可逆反应,在条件相同时(等温等容),若达到等同平衡,其初始状态必须能互变,从极限角度看,就是各物质的物质的量要相当.因此可以采用一边倒的原则来处理以下问题:
(1)化学平衡等同条件(等温等容)
aA(g)+bB(g)cC(g)
①始ab0平衡态Ⅰ
②始00c平衡态Ⅱ
③始xyz平衡态Ⅲ
为了使平衡Ⅲ=Ⅱ=Ⅰ
根据“一边倒”原则,即可得
x+
z=a
+
=1
y+
z=b
+
=1
例4合成氨工厂常通过测定反应前后混合气体的密度来确定氮的转化率。
某工厂测得合成塔中N2、H2混合气体的密度为0.5536g/L(标准状况),从合成塔中出来的混合气体在相同条件下密度为0.693g/L(标准状况)。
求该合成氨厂N2的转化率。
[解析]
由于题目中没有告诉起始物质的量,也没有说明N2、H2是按化学方程式中物质的计量数投放物料,因此部分学生就假设N2为1molH2为3mol,进行解题,依据是不足的。
故本题解答时只能设反应前混合气体中氮气的物质的量分数为x,氢气物质的量分数为(1-x),依题意得:
28x+2(1-x)=0.5536×22.4
设起始有氮气2mol,氢气为3mol,氮气转化的物质的量为y,
N2 + 3H2
2NH3
起始物质的量 2mol 3mol 0mol
转化物质的量 ymol 3ymol 2ymol
平衡物质的量 2-ymol 3-3ymol 2ymol
n总=(2-y)mol+(3-3y)mol+2ymol=(5-2y)mol
根据反应前后气体质量守恒可知
解得 y=0.5mol
[答案]25%
[点评]
本题是一道化学平衡综合计算题,考查学生综合计算的解题能力。
正确的计算方法应是先由两种混合气体的密度,分别计算出反应前后两种混合气体的平均式量,由氢氨混合气的平均式量求出反应气体中氢气、氮气的体积比,再按合成氨化学反应中有关起始,转化、平衡物质的量的关系及平衡时混合气体的平均式量,从而求出氮气的转化率。
4.实战演练
一、选择题
1.下列有关合成氨工业的叙述,可用勒夏特列原理来解释的是()
A.使用铁触媒,使N2和H2混合气体有利于合成氨
B.高压比低压条件更有利于合成氨的反应
C.500℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D.合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率
2.对于可逆反应:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)(正反应为放热反应)。
下列说法中正确的是()
A.达到平衡时,NH3的生成速率等于NH3的分解速率
B.达到平衡时,反应物和生成物的浓度一定相等
C.达到平衡时,若加入N2,在重新达平衡时,NH3的浓度比原平衡时增大,H2的浓度比原平衡时减小
D.达到平衡时,若升高温度,加快了吸热反应的速率,降低了放热反应的速率,所以平衡向逆反应方向移动
3.工业上合成氨时一般采用500℃左右的温度,其原因是()
⑴适当提高氨的合成速率⑵提高H2的转化率
⑶提高氨的产率⑷催化剂在500℃时活性最大
A.只有⑴B.⑴⑵C.⑵⑶⑷D.⑴⑷
4.将H2和N2的混合气体通入合成塔中,经过1个小时达到平衡,此时N2、H2、NH3的浓度分别为3、7、4(单位均为mol/L),则以下叙述正确的()
①N2的反应速率为2mol/(L·h)②H2的反应速率为7mol/(L·h)③H2的起始浓度为13mol/L④N2起始浓度为2mol/L⑤H2的转化率为46.2%
A.①②B.②⑤C.①③⑤D.②④
5.有平衡体系:
CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g)(正反应为放热反应),为了增加甲醇的产量,工厂应采取的正确措施是()
A.高温、高压B.适宜温度、高压、催化剂
C.低温、低压D.低温、高压、催化剂
6.二氧化氮存在下列平衡:
2NO2(g)
N2O4(g)(正反应为放热反应)。
在测定NO2的相对分子质量时,下列条件中较为适宜的是()
A、温度130℃、压强3.03×105PaB、温度25℃、压强1.01×105Pa
C、温度130℃、压强5.05×104PaD、温度0℃、压强5.05×104Pa
7.在N2+3H2
2NH3的平衡体系中,当分离出NH3时,下列说法中正确的是()
A.正反应速率增大B.平衡向逆反应方向移动
C.正反应速率大于逆反应速率D.逆反应速率先变小后变大
8.合成氨所需的氢气由煤和水发生反应制得,其中一步反应为:
CO+H2O(g)
CO2+H2(正反应为放热反应)。
要使CO转化率提高,()
A.增大H2O(g)的浓度B.增大CO的浓度
C.降低温度D.增大压强
二、填空题
1.一定温度下某密闭容器中进行反应:
N2+3H2
2NH3,达平衡后
①保持容器体积一定,通入N2,平衡移动。
②保持容器体积一定,通入Ar,平衡移动。
③保持容器压强一定,通入Ar,平衡移动。
④保持容器体积一定,通入N2、H2、NH3,使浓度都变为原来的2倍,平衡移动。
2.在一定条件下,1molN2和3molH2混合后反应,达到平衡时测得平衡混合物的密度是同温同压下氢气的5倍,则氮气的转化率是。
若在同一个容器中,在相同的温度下,向容器中充入NH3,为使达到平衡时各成分的百分含量与上述平衡时相同,则起始时充入的NH3的物质的量为。
三、计算题
恒温下,将amolN2与bmolH2的混合气体通入一个固定容积的密闭容器中,发生如下反应:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
(1)若反应进行到某时刻t时,nt(N2)=13mol,nt(NH3)=6mol,计算a的值。
(2)反应达平衡时,混合气体的体积为716.8L(标准状况下),其中NH3的含量(体积分数)为25%。
计算平衡时NH3的物质的量。
(3)原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比(写出最简整数比,下同),n(始)∶n(平)=。
(4)原混合气体中,a∶b=。
(5)达到平衡时,N2和H2的转化率之比,α(N2)∶α(H2)=。
(6)平衡混合气体中,n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)=。
参考答案
一、选择题
1.BD2.A3.D4.C5.B6.C7.CD8.AC
二、填空题
1.向右、不、向左、向右
2.30%、2mol
三、计算题
(1)a=16
(2)8mol(3)5:
4(4)2:
3
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