2.4工業(yè)合成氨第1課時(shí)合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇分層作業(yè)1．合成氨工業(yè)中N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)，選擇適宜的壓強(qiáng)時(shí)，不需要考慮的因素是A．反應(yīng)速率 B．平衡移動(dòng) C．設(shè)備成本 D．催化劑活性【答案】D【解析】A．該反應(yīng)為有氣體參與的反應(yīng)，因此增大壓強(qiáng)，各物質(zhì)的濃度增大，反應(yīng)速率加快，提高氨氣的生成速率，這是需要考慮的因素，故A不選；B．該反應(yīng)為反應(yīng)前后氣體的總量發(fā)生變化的反應(yīng)，因此增大壓強(qiáng)，平衡右移，有利于氨高氨氣的生成，這是需要考慮的因素，故B不選；C．增大壓強(qiáng)，需要設(shè)備耐壓能力要大，就要考慮到制造耐壓設(shè)備的成本，這是需要考慮的因素，故C不選；D．催化劑的活性與溫度有關(guān)，與壓強(qiáng)沒(méi)有關(guān)系，選擇適宜的壓強(qiáng)時(shí)，不需要考慮催化劑的活性，故D可選；故選D。2．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說(shuō)法正確的是()A．N2的量越多，H2的轉(zhuǎn)化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成B．恒容條件下充入稀有氣體有利于NH3的合成C．工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵增加的放熱反應(yīng)，在任何溫度下都可自發(fā)進(jìn)行D．工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵減小的放熱反應(yīng)，在常溫時(shí)可自發(fā)進(jìn)行【解析】A項(xiàng)，投料比為n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8時(shí)，更有利于NH3的合成；B項(xiàng)，恒容條件下，充入稀有氣體對(duì)平衡無(wú)影響；C、D項(xiàng)，ΔH－TΔS<0時(shí)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，而合成氨反應(yīng)的ΔH<0、ΔS<0，故在常溫條件下該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行?！敬鸢浮緿3．在合成氨反應(yīng)中使用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是()A．都能提高反應(yīng)速率，都對(duì)化學(xué)平衡無(wú)影響B(tài)．都對(duì)化學(xué)平衡有影響，但都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間C．都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，只有施加高壓對(duì)化學(xué)平衡有影響D．使用催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，而施加高壓無(wú)此效果【解析】對(duì)于反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)，使用催化劑只能提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)。施加高壓既能提高反應(yīng)速率，使反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間縮短，也能使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。【答案】C4．下列關(guān)于工業(yè)合成氨反應(yīng)的說(shuō)法正確的是A．使用鐵做催化劑，可提高合成氨反應(yīng)的速率和平衡轉(zhuǎn)化率B．500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)，提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率C．合成氨采用2×107～5×107Pa，因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最高D．合成氨工業(yè)采用高壓，不僅能提高轉(zhuǎn)化率，還能縮短到達(dá)平衡的時(shí)間【答案】D【解析】A.催化劑可提高合成氨反應(yīng)的速率，但不影響平衡移動(dòng)，故不影響平衡轉(zhuǎn)化率。故A錯(cuò)誤；B.合成氨是放熱反應(yīng)，所以低溫有利于平衡正向移動(dòng)，利于提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率，但反應(yīng)速率跟溫度有關(guān)，溫度越高速率越大，所以溫度是取在既保證一定速率，又保證反應(yīng)盡量向正反應(yīng)方向移動(dòng)，同時(shí)還要確保催化劑活性，因?yàn)榇呋瘎┗钚愿鷾囟汝P(guān)系很大，一般合成氨反應(yīng)500℃是保證催化活性最大，不是為了使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故B錯(cuò)誤；C.合成氨的反應(yīng)是分子數(shù)減小的反應(yīng)，高壓有利于向正反應(yīng)方向移動(dòng)，且能提高正反應(yīng)速率，跟催化劑無(wú)關(guān)，故C錯(cuò)誤；D.合成氨的反應(yīng)是分子數(shù)減小的反應(yīng)，高壓有利于向正反應(yīng)方向移動(dòng)，且能提高正反應(yīng)速率，故合成氨工業(yè)采用高壓，不僅能提高轉(zhuǎn)化率，還能縮短到達(dá)平衡的時(shí)間，故D正確；故選D。5．在合成氨工業(yè)中，要使氨的產(chǎn)率增大，同時(shí)又能提高化學(xué)反應(yīng)速率，可采取的措施有()①增大容器體積使壓強(qiáng)減小②減小容器體積使壓強(qiáng)增大③升高溫度④降低溫度⑤恒溫恒容，再充入等量的N2和H2⑥恒溫恒壓，再充入等量的N2和H2⑦及時(shí)分離產(chǎn)生的NH3⑧使用催化劑A．②④⑤⑥⑦B．②③④⑤⑦⑧C．②⑤D．①②③⑤⑧【解析】從反應(yīng)速率的角度分析，①④⑦均使化學(xué)反應(yīng)速率降低，②③⑤⑧均使化學(xué)反應(yīng)速率升高，⑥不影響化學(xué)反應(yīng)速率。從平衡移動(dòng)的角度分析，②⑤使化學(xué)平衡向右移動(dòng)，使氨的產(chǎn)率增大，⑧不影響化學(xué)平衡，③使化學(xué)平衡向左移動(dòng)?！敬鸢浮緾6．合成甲醇的反應(yīng)存在平衡體系CO(g)＋2H2(g)?CH3OH(g)ΔH<0，為了提高CH3OH的產(chǎn)量，應(yīng)該采取的措施是()A．高溫、高壓B．適宜的溫度、高壓、催化劑C．低溫、低壓D．高溫、高壓、催化劑【解析】合成甲醇的反應(yīng)是一個(gè)反應(yīng)前后氣體體積減小的放熱反應(yīng)，為提高CH3OH的產(chǎn)量，一要使平衡正向移動(dòng)，二要使反應(yīng)速率增大，因此應(yīng)使用催化劑，同時(shí)考慮催化劑的活性，反應(yīng)溫度要適宜，高壓有利于平衡正向移動(dòng)，故采取的措施是選擇適宜的溫度、高壓、催化劑?！敬鸢浮緽7．合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，NH3的體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示，據(jù)此分析合成氨工業(yè)中最有前途的研究方向是()A．提高分離技術(shù)B．研制耐高壓的合成塔C．研制低溫催化劑D．探索不用N2和H2合成氨的新途徑【解析】由圖可知，φ(NH3)隨著溫度的升高而顯著下降，即在低溫條件下，NH3的體積分?jǐn)?shù)較高，但目前所用催化劑——鐵觸媒的活性最大時(shí)的溫度在500℃左右，故最有前途的研究方向是研制低溫催化劑。【答案】C8．(雙選)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)曾授予致力于研究合成氨與催化劑表面積大小關(guān)系的德國(guó)科學(xué)家格哈德·埃特爾，表彰他在固體表面化學(xué)過(guò)程研究中作出的貢獻(xiàn)。下列說(shuō)法正確的是()A．增大催化劑的表面積，能增大氨氣的產(chǎn)率B．增大催化劑的表面積，能增大合成氨的正反應(yīng)速率、降低逆反應(yīng)速率C．使用催化劑時(shí)，反應(yīng)的活化能降低，反應(yīng)明顯加快D．工業(yè)生產(chǎn)中，合成氨采用的壓強(qiáng)越高，溫度越低，越不利于提高經(jīng)濟(jì)效益【解析】催化劑只能改變反應(yīng)速率，不能改變化學(xué)平衡，A項(xiàng)錯(cuò)誤；催化劑能同等程度地增大合成氨的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率，B項(xiàng)錯(cuò)誤；使用催化劑可加快反應(yīng)速率，原因是改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)活化能，C項(xiàng)正確；壓強(qiáng)過(guò)高，設(shè)備成本高，溫度過(guò)低，反應(yīng)速率小，經(jīng)濟(jì)效益低，D項(xiàng)正確?！敬鸢浮緾D9．2018年是合成氨工業(yè)先驅(qū)哈伯獲得諾貝爾獎(jiǎng)100周年。N2和H2生成NH3的反應(yīng)為eq\f(1,2)N2(g)＋eq\f(3,2)H2(g)?NH3(g)ΔH＝－46.2kJ·mol－1，在Fe催化劑作用下的反應(yīng)歷程如下(*表示吸附態(tài))。化學(xué)吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；表面反應(yīng)：N*＋H*?NH*；NH*＋H*?NHeq\o\al(\s\up11(*),\s\do4(2))；NHeq\o\al(\s\up11(*),\s\do4(2))＋H*?NHeq\o\al(\s\up11(*),\s\do4(3))；脫附：NHeq\o\al(\s\up11(*),\s\do4(3))?NH3(g)。其中N2的吸附分解反應(yīng)活化能高、速率慢，決定了合成氨的整體反應(yīng)速率。請(qǐng)回答：（1）有利于提高平衡混合物中氨含量的條件有________(填標(biāo)號(hào))。A．低溫B．高溫C．低壓D．高壓E．催化劑（2）實(shí)際生產(chǎn)中，常用Fe作催化劑，控制溫度773K，壓強(qiáng)3.0×105Pa，原料氣中N2和H2物質(zhì)的量之比為1∶2.8。分析說(shuō)明原料氣中N2適度過(guò)量的兩個(gè)理由_________________________________________。（3）下列關(guān)于合成氨工業(yè)的理解正確的是________(填標(biāo)號(hào))。A．合成氨反應(yīng)在不同溫度下的ΔH和ΔS都小于零B．當(dāng)溫度、壓強(qiáng)一定時(shí)，向合成氨平衡體系中添加少量惰性氣體，平衡正向移動(dòng)C．基于NH3有較強(qiáng)的分子間作用力可將其液化，不斷將液氨移去，有利于反應(yīng)正向進(jìn)行D．分離空氣可得N2，通過(guò)天然氣和水蒸氣轉(zhuǎn)化可得H2，原料氣須經(jīng)過(guò)凈化處理，防止催化劑“中毒”【解析】（1）根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)可知，低溫和高壓均可以提高平衡混合物中氨含量，A、D項(xiàng)正確。（2）原料氣中N2的成本較低，適度過(guò)量可提高成本較高的H2的轉(zhuǎn)化率；從反應(yīng)速率來(lái)看，N2在Fe催化劑上的吸附是該反應(yīng)速率的決定步驟，N2適度過(guò)量有利于提高整體的反應(yīng)速率。（3）合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng)，ΔH<0，該反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，則ΔS<0，A項(xiàng)正確；恒溫恒壓時(shí)，向合成氨平衡體系中添加少量惰性氣體，體積增大，壓強(qiáng)減小，平衡逆向移動(dòng)，B項(xiàng)錯(cuò)誤；液化NH3后及時(shí)將其移出，生成物濃度降低，平衡正向移動(dòng)，C項(xiàng)正確；原料氣中的雜質(zhì)氣體會(huì)使催化劑“中毒”，原料氣須經(jīng)過(guò)凈化處理，防止催化劑“中毒”，D項(xiàng)正確?！敬鸢浮浚?）AD（2）原料氣中N2相對(duì)易得，適度過(guò)量有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率N2在Fe催化劑上的吸附是決速步驟，N2適度過(guò)量有利于提高整體的反應(yīng)速率（3）ACD10．氨是一種重要的化工原料，氨的合成和應(yīng)用是當(dāng)前的重要研究?jī)?nèi)容之一。傳統(tǒng)哈伯法合成氨工藝中相關(guān)的反應(yīng)式為：N2+3H22NH3⊿H<0。（1）該反應(yīng)的平衡常數(shù)K的表達(dá)式為：K=。降低溫度，K值(填“增大”“減小”或“不變”)。（2）不同溫度、壓強(qiáng)下，合成氨平衡體系中NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)見(jiàn)下表(N2和H2的起始物質(zhì)的量之比為1∶3)。分析表中數(shù)據(jù)，(填溫度和壓強(qiáng))時(shí)H2轉(zhuǎn)化率最高，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)不選用該條件的主要原因是?！痉治觥浚?）平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積；根據(jù)溫度對(duì)平衡移動(dòng)的影響判斷平衡常數(shù)的變化；（2）H2轉(zhuǎn)化率最高時(shí)，氨氣的含量最大；實(shí)際生成時(shí)要考慮生成成本、設(shè)備能否達(dá)到要求等方面。（2）200℃、100MPa時(shí)氨氣的含量最大，則H2轉(zhuǎn)化率最高，但實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中越強(qiáng)不能太大，因壓強(qiáng)太高，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求也高，難以實(shí)現(xiàn)。11．化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)具有積極意義，下列關(guān)于調(diào)控措施的說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．硫酸工業(yè)中，在高溫高壓、催化劑作用下，可提高生產(chǎn)效益B．硫酸工業(yè)中，為提高的轉(zhuǎn)化率，可通入稍過(guò)量的空氣D．工業(yè)合成氨，迅速冷卻、液化氨氣是為了使化學(xué)平衡向生成氨氣的方向移動(dòng)【答案】A【解析】A．高溫高壓、催化劑是合成氨的條件，硫酸工業(yè)不需要高壓，故A錯(cuò)誤；B．為提高SO2的轉(zhuǎn)化率，不是通入的空氣越多越好，通入空氣越多，導(dǎo)致體系溫度下降，需要更多的能量，為提高的轉(zhuǎn)化率，可通入稍過(guò)量的空氣，故B正確；C．升高溫度可加快反應(yīng)速率，為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，且催化劑的活性與溫度有關(guān)，則反應(yīng)溫度選擇400~500C是該反應(yīng)催化劑的催化活性、反應(yīng)速率、反應(yīng)限度等角度綜合考慮的結(jié)果，故C正確；D．工業(yè)合成氨，迅速冷卻、液化氨氣，是為了使化學(xué)平衡向生成氨氣的方向移動(dòng)，故D正確；答案選：A。12．(雙選)已知：N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。起始反應(yīng)物為N2和H2，物質(zhì)的量之比為1∶3，且總物質(zhì)的量不變，在不同壓強(qiáng)和溫度下，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，體系中NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)如下表，下列說(shuō)法正確的是()溫度壓強(qiáng)400℃450℃500℃600℃20MPa0.3870.2740.1890.08830MPa0.4780.3590.2600.129A.體系中NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越大，則正反應(yīng)速率越大B．反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，N2和H2的轉(zhuǎn)化率之比均為1∶1C．反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，放出的熱量均為92.4kJD．400℃，30MPa下反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，生成NH3的物質(zhì)的量最多【解析】體系中NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越大，不能表示正反應(yīng)速率越大，如20MPa、500℃時(shí)NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)大于30MPa、600℃時(shí)NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，但后者的溫度和壓強(qiáng)較大，反應(yīng)速率較快，A項(xiàng)錯(cuò)誤；起始反應(yīng)物N2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶3，因此反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，N2和H2的轉(zhuǎn)化率之比為1∶1，B項(xiàng)正確；由于無(wú)法確定參與反應(yīng)的N2和H2具體的物質(zhì)的量，故無(wú)法求得生成的NH3的物質(zhì)的量，因此無(wú)法計(jì)算達(dá)到平衡時(shí)放出的熱量，C項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，400℃、30MPa下反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，生成NH3的物質(zhì)的量最多，D項(xiàng)正確?！敬鸢浮緽D13．近年來(lái)我國(guó)大力加強(qiáng)溫室氣體CO2催化氫化合成甲醇技術(shù)的工業(yè)化量產(chǎn)研究，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?；卮鹣铝袉?wèn)題：（1）已知：CO2(g)＋H2(g)?H2O(g)＋CO(g)ΔH1＝＋41.1kJ·mol－1CO(g)＋2H2(g)?CH3OH(g)ΔH2＝－90.0kJ·mol－1寫(xiě)出CO2催化氫化合成甲醇的熱化學(xué)方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。（2）為提高CH3OH(g)的產(chǎn)率，理論上應(yīng)采用的條件是________(填序號(hào))。a．高溫高壓b．低溫低壓c．高溫低壓d．低溫高壓（3）250℃時(shí)，在恒容密閉容器中由CO2(g)催化氫化合成CH3OH(g)，如圖為不同投料比[n(H2)/n(CO2)]時(shí)某反應(yīng)物X的平衡轉(zhuǎn)化率的變化曲線。反應(yīng)物X是________(填“CO2”或“H2”)。（4）250℃時(shí)，在體積為2.0L的恒容密閉容器中加入6molH2、2molCO2和催化劑，10min時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，測(cè)得c(CH3OH)＝0.75mol·L－1。①前10min內(nèi)H2的平均反應(yīng)速率v(H2)＝________mol·L－1·min－1。②化學(xué)平衡常數(shù)K＝________。③催化劑和反應(yīng)條件與反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的選擇性高度相關(guān)?？刂葡嗤读媳群拖嗤磻?yīng)時(shí)間，四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：得到如下實(shí)驗(yàn)標(biāo)號(hào)溫度/K催化劑CO2的轉(zhuǎn)化率/%甲醇的選擇性/%A543Cu/ZnO納米棒12.342.3B543Cu/ZnO納米片11.972.7C553Cu/ZnO納米棒15.339.1D553Cu/ZnO納米片12.070.6根據(jù)上表所給數(shù)據(jù)，用CO2生產(chǎn)甲醇的最優(yōu)條件為_(kāi)_______(填實(shí)驗(yàn)編號(hào))?！窘馕觥浚?）根據(jù)蓋斯定律，將題述兩個(gè)熱化學(xué)方程式相加可得：3H2(g)＋CO2(g)?CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝－48.9kJ·mol－1。（2）根據(jù)熱化學(xué)方程式可知，生成CH3OH(g)的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，也是氣體體積減小的反應(yīng)，故要想提高CH3OH(g)的產(chǎn)率，需要低溫高壓，d項(xiàng)合理。（3）觀察圖中的橫坐標(biāo)，其表示的物理量為eq\f(n（H2）,n（CO2）)，假設(shè)n(CO2)為定值，則X的轉(zhuǎn)化率隨n(H2)的增大而增大，可推知反應(yīng)物X為CO2。（4）①CH3OH(g)的濃度變化量為0.75mol·L－1，則有3H2(g)＋CO2(g)?CH3OH(g)＋H2O(g)起始濃度/(mol·L－1)3100轉(zhuǎn)化濃度/(mol·L－1)2.250.750.750.75平衡濃度/(mol·L－1)0.750.250.750.75H2的濃度變化量為2.25mol·L－1，則前10min內(nèi)H2的平均反應(yīng)速率v(H2)＝0.225mol·L－1·min－1。②K＝eq\f(c（CH3OH）·c（H2O）,c3（H2）·c（CO2）)＝eq\f(0.75×0.75,0.753×0.25)(mol·L－1)－2＝eq\f(16,3)(mol·L－1)－2。③選擇性是指產(chǎn)物的專一性，在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)中若有多個(gè)產(chǎn)物，其中某一個(gè)產(chǎn)物是目標(biāo)產(chǎn)物，若這個(gè)物質(zhì)的產(chǎn)率越高，說(shuō)明該反應(yīng)的選擇性越好。觀察四組數(shù)據(jù)，相比之下，B、D中甲醇的選擇性好，雖然B中CO2的轉(zhuǎn)化率比D中的稍低些，但是B中CH3OH(g)的選擇性比D中的好，故B為最優(yōu)條件?！敬鸢浮浚?）3H2(g)＋CO2(g)?CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝－48.9kJ·mol－1（2）d（3）CO2（4）①0.225②eq\f(16,3)(mol·L－1)－2③B14．哈伯在1905年發(fā)明了合成氨的方法。（1）合成氨反應(yīng)在常溫下（填“能”或“不能”）自發(fā)。實(shí)驗(yàn)1mnpq22mnp2q3mn0.1p10q4m2np2.828q（2）；（3）根據(jù)已知信息，以下措施既能加快反應(yīng)速率，又能提高平衡轉(zhuǎn)化率的是（填序號(hào)）。a.加壓

b.改進(jìn)催化劑性能

c.升溫

d.將、濃度都變?yōu)樵瓉?lái)的2倍（4）a、b化學(xué)反應(yīng)速率較大的是（填“a”或“b”）；（5）在500℃、壓強(qiáng)為10P0時(shí)，N2的轉(zhuǎn)化率為，Kp=［Kp為平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算求得的平衡常數(shù)（分壓總壓物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)），用含有的代數(shù)式表示］?！敬鸢浮浚?）能（2）1（3）ad（4）b（3）a．加壓能加快化學(xué)反應(yīng)速率，平衡向氣體分子數(shù)減小的方向移動(dòng)，即正向移動(dòng)，所以平衡轉(zhuǎn)化率提高，故a正確；b．改進(jìn)催化劑性能只能改變化學(xué)反應(yīng)速率，無(wú)法使平衡移動(dòng)，故b錯(cuò)誤；c．升溫能加快化學(xué)反應(yīng)速率，平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，即逆向移動(dòng)，所以平衡轉(zhuǎn)化率降低，故c錯(cuò)誤；d．將、濃度都變?yōu)樵瓉?lái)