知识讲解_化学反应条件的优化—工业合成氨(基础)

化学反应条件的优化—工业合成氨 编稿：宋杰 审稿：张灿丽

【学习目标】

1、能用平衡移动原理（勒夏特列原理）解释一些生活、生产问题；

2、理解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； 3、了解合成氨生产的适宜条件和工艺流程。 【要点梳理】

要点一、合成氨反应原理和特点。 1、反应原理：N2（g）+3H2（g）

高温,高压催化剂2NH3（g）。

2、反应特点。

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；④氨很容易液化。 要点二、合成氨适宜条件的选择。

1、适宜生产条件选择的一般原则。

对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和转化率，故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率，如合成氨中氮气与氢气的配比为1∶2.8。 选择条件时既要考虑反应的快慢——反应速率越大越好，又要考虑反应进行的程度——使化学平衡尽可能向正反应方向移动，来提高氨在平衡混合物中的体积分数。 2、合成氨条件选择的依据。

运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。

3、合成氨条件的理论分析（见下表）。 反应条件 增大压强 对化学反应速率的影响 有利于增大化学反应速率 有利于增大化学反应速率 对平衡混合物中NH3的含量的影响 有利于提高平衡混合物中NH3的产量 不利于提高平衡混合物中NH3的含量 合成氨条件的选择 压强增大，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等的要求高，因此，工业上一般采用20 MPa～30 MPa的压强 温度升高，化学反应速率增大，但不利于提高平衡混合物中NH3的含量，因此合成氨时温度要适宜，工业上一般采用500℃左右的温度（因该温度时，催化剂的活性最大） 合成氨条件的选择 催化剂的使用不能使平衡发生移动，但能缩短反应达到平衡的时间，工业上一般选用铁触媒作催化剂，使反应在尽可能低的温度下进行 升高温度 反应条件 对化学反应速率的影响 对平衡混合物中NH3的含量的影响 没有影响 使用催化剂 有利于增大化学反应速率

[归纳] 合成氨的适宜条件： （1）温度：500℃左右；

（2）压强：20 MPa～30 MPa；

（3）催化剂：铁触媒（500℃时其活性最强）。

除此之外，还应及时将生成的氨分离出来，并不断地补充原料气（N2和H2），以有利于合成氨反应。 要点三、合成氨工业的简介。

合成氨工业的简要流程：

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合成氨生产示意图2-4-1：

1、原料的制取

氮气：将空气液化、蒸馏分离出氮气或者将空气中的氧气与碳作用生成CO2，除去CO2后得氮气。 氢气：用水和燃料（煤、焦炭、石油、天然气等）在高温下制取。主要反应有： C+H2O（g） CO+H2O（g） CH4+H2O（g） 2CH4+O2

催化剂950C高温CO+H2

催化剂CO2+H2

CO+3H2

催化剂700C900C2CO+4H2

2、制得的氮气和氢气需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。 3、氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。反应原理为N2+3H2

高温,高压催化剂2NH3。

4、氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率，并将未反应的氮气和氢气循环送入合成塔，使其充分被利用。 要点诠释：①循环操作过程是没有转化为生成物的反应物又重新回到反应设备中参加反应的过程。显然循环操作过程可以提高反应物的转化率，使反应物尽可能地转化为生成物，提高经济效益。

②由于存在循环操作过程，从理论上讲，即使是可逆反应，反应物最终全部转化为生成物。

5、合成氨生产的发展前景。

合成氨条件的选择与科技进步、动力、材料、设备等条件的改善紧密相连，并将随之作相应改变。目前，人们正在研究使合成氨反应在较低温度下进行的催化剂以及研究化学模拟生物固氮等，以进一步提高合成氨的生产能力。

【典型例题】

类型一、勒夏特列原理及其应用 例1、（2015 宜昌期末）下列事实，不能用勒夏特列原理解释的是（ ）。 A．在溴水中存在如下平衡：Br2+H2O HBr+HBrO，当加入NaOH溶液后颜色变浅 B．对2HI(g) H2(g)+I2(g)平衡体系增加压强使颜色变深 楊老师联系电话（微信）无

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C．反应CO+NO2 CO2+NO △H＜0，升高温度使平衡向逆方向移动 D．合成氨反应：N2（g）+3H2（g） 2NH3（g）△H＜0，为使氨的产率提高，理论上应采取低温高压的措施

【思路点拨】本题考查勒夏特列原理的应用，注意只有在涉及到化学平衡移动的内容时才能用到该原理。 【答案】B

【解析】A项加入NaOH溶液时，NaOH和HBr、HBrO发生中和反应，从而影响化学平衡，促进溴和水的反应，所以可以用勒夏特列原理介绍；B项该反应的反应前后气体计量数之和不变，改变压强，平衡不移动，增大压强体积减小，碘浓度增大，从而气体颜色加深，与平衡移动无关，所以不能用勒夏特列原理解释；C项该反应是放热反应，升高温度，可逆反应向吸热反应方向逆反应方向移动，所以可以用勒夏特列原理解释；D项该反应是反应前后气体体积减小的放热反应，降低温度、增大压强有利于平衡向正反应方向移动，从而促进氨气的生成，所以可以用勒夏特列原理解释。故选B。 【总结升华】（1）勒夏特列原理不能解释“使用催化剂不能使化学平衡发生移动”；

（2）勒夏特列原理不能解释“反应前后气体体积不变的可逆反应，改变压强可以改变化学反应速率，但不能使化学平衡发生移动”。 举一反三：

【变式1】合成氨所需H2可由煤和水反应制得，其中一步反应为CO (g)+H2O (g) CO2 (g)+H2 (g)（正反应是放热反应），欲提高CO的转化率可采用的方法有：①降低温度，②增大压强，③使用催化剂，④增大CO的浓度，⑤增大水蒸气的浓度，其中正确的组合是（ ）。 A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．只有⑤

【答案】C

类型二、合成氨工业

例2、合成氨工业中的主要反应是N2+3H2

高温,高压催化剂2NH3（正反应为放热反应）。

（1）生产中，采用2×107 Pa～3×107 Pa是为了________。

（2）加热到500℃，其目的是________。 （3）使用催化剂是为了________。 （4）采用循环操作是为了________。

（5）若反应容器的体积不变，并维持原反应温度，而将平衡体系中的混合气体浓度增大一倍，则上述平衡向________方向移动，原因是________。

【思路点拨】本题考查合成氨工业中反应条件的选择，从另一方面考查化学反应平衡的移动，注意勒夏特列原理的应用。 【答案】（1）提高反应速率及氨的产率 （2）该温度时，催化剂的活性最高 （3）提高反应速率，缩短达到平衡所需的时间 （4）提高原料（N2、H2）的利用率 （5）正反应 增大浓度，相当于增大压强

【解析】在选择合成氨的条件时，不仅要考虑反应速率因素，还要考虑平衡转化率的因素。要注意压强、温度、催化剂等与动力、材料、设备、催化剂活性等因素的联系，应以提高综合经济效益为选择生产条件的目的。 显然，采用高压是为了提高反应速率及氨的产率；加热至500℃不仅考虑到提高反应速率，更重要的是考虑了在此温度时催化剂的活性最高；采用循环操作是为了提高N2、H2的利用率；在（5）中，使混合气体浓度增大一倍，则相当于在原平衡上进行加压，故平衡向正方向移动。

【总结升华】工业生产条件的选择是以提高综合经济效益为目的的，不仅要考虑化学反应方面的因素，还要考虑诸多综合因素。 举一反三：

【变式1】工业上合成氨时一般采用500℃左右的温度，其原因是（ ）。 A．适当提高氨的合成速率 B．提高氢气的转化率

C．提高氨的产率 D．催化剂在500℃左右活性最强

【答案】D 楊老师联系电话（微信）无

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类型三、合成氨的有关计算

例3、恒温下，将a mol N2与b mol H2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，n1（N2）=13 mol，n1（NH3）=6 mol，计算a的值________。 （2）反应达到平衡时，混合气体的体积为716.8 L（标准状况下），其中NH3的含量（体积分数）为25％。计算平衡时NH3的物质的量为________。

（3）原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比（写最简整数比，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，(N2)∶(H2)=________。 （6）平衡混合气体中，n (N2)∶n (H2)∶n (NH3)=________。

【思路点拨】本题考查合成氨的有关计算，包括化学平衡的简单表达、转化率等，注意对基本概念的准确掌握。

【答案】（1）16 （2）8mol （3）5∶4 （4）2∶3 （5）l∶2 （6）3∶3∶2 【解析】（1）本小题有多种解法。

解法一：由反应的化学方程式得知，反应掉的N2和生成的NH3的物质的量之比为1∶2，设反应掉的N2的物质的量为x mol，则x mol∶6 mol=1∶2，解得x=3，a=13+3=16。 解法二： N2（g）+3H2（g） 2NH3（g） 开始时／mol： a b 0 反应过程／mol： x 6

t时／mol： 13 6 根据上述关系，解得x=3。 所以a=x+13=16。

（2）平衡时NH3的物质的量为

716.8L25%32mol25%8mol。

22.4Lmol1 （3）可利用差量法计算。假设反应过程中混合气体总物质的量减少y。 N2（g）+3H2（g） 2NH3（g） Δn 1 3 2 2 8 mol y

解得 y=8 mol。

所以，原混合气体总物质的量为

716.8L+8 mol=40 mol。原混合气体与平衡混合气体总物质的量之比为122.4Lmol40∶32=5∶4。 （4）前面已计算出原混合气体中a=16，所以H2的物质的量b=40 mol－16 mol=24 mol，所以a∶b=16∶24=2∶3。

（5）反应过程中各物质的物质的量如下： N2（g）+3H2（g） 2NH3（g） 开始时／mol： 16 24

转化／mol： 4 12 8 平衡时／mol： 12 12 8 可以算出，N2、H2的转化率之比为

(N2)∶(H2)412∶1∶2。 1624 （6）根据第（5）题中的数据。平衡混合气体中，n（N2）∶n（H2）∶n（NH3）=12∶12∶8=3∶3∶2。 楊老师联系电话（微信）无

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举一反三：

【变式1】（2014 山东临朐实验中学期末）以天然气为原料合成氨，并且进一步制备尿素和纯碱的主要步骤如图所示（图中某些转化步骤及生成物未列出）：

根据以上流程图回答下列问题

（1）写出由水蒸气和甲烷造合成气的化学方程式______； （2）在合成氨的过程中，循环利用的物质有______； （3）写出合成尿素的化学方程式______；

（4）在生产纯碱的过程中，能否将①②两个步骤颠倒？______，为什么？______．

【答案】（1）H2O+CH4=CO+3H2；（2）N2和H2；（3）CO2+2NH3=CO（NH2）2+H2O；（4）不能颠倒氨气极易溶解于水，先通氨气后，溶液显碱性，可以增大二氧化碳在里面的溶解，使反应更加充分 。

【解析】（1）根据流程图中显示，生产合成气的原料是甲烷和水，产物合成气的成分是一氧化碳和氢气，所以方程式为：H2O+CH4=CO+3H2。

（2）分析生产流程图中所涉及的物质的来源和去向发现，N2和H2是循环利用的物质。

（3）根据流程图中显示，合成尿素的原料是二氧化碳和氨气，产品是尿素，另外根据尿素中碳、氧原子的个数比和二氧化碳中碳、氧原子的个数比可知，产物还有水，方程式为：CO2+2NH3=CO（NH2）2+H2O。 （4）氨气极易溶解于水，且溶于水形成碱性溶液，更易于吸收二氧化碳。

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