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第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
学习目标：
1. 认识合成氨的化学反应原理
2. 应用化学平衡和化学反应速率知识选择合成氨的条件
3. 了解合成氨的生产流程
4.了解工业条件选择的依据和原则
学习重点：
应用化学平衡和化学反应速率知识选择合成氨的条件
学习难点：
化学反应速率和化学平衡理论在生产实际中的应用
学习过程：
一．自学导引
学生阅读课本内容，进行分组自学探究：
1.利用平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的产量？


2.有人认为：增大压强，从化学反应速率和化学平衡两个方面都对合成氨有利，故可以尽可能地增大压强。这种观点正确吗？请予以评价。


3.在一定的温度和压强下，合成氨的反应，从开始反应到氨气的浓度不再增大，这一过程中，正反应速率如何变化？逆反应速率如何变化？为什么？简述理由。

4学生合作分析合成氨反应有哪些特点？
5.“假设聘你为某合成氨工厂的技术顾问，你将为提高生产效益提供那些参考意见？”（从加快合成氨反应速率和反应限度两个方面考虑）。
填写下列表格。
合成氨反应条件的选择
外界条件 从氨气生成的快角度（即从化学反应速率角度）分析 使氨气生成得多的角度（即从化学平衡的角度）分析
压强
温度
是否使用催化剂
学生展示互评，检验推测的正确性。
二．归纳总结
1.从反应速率的角度，反应要求在高温下进行有利于加快反应速率；从化学平衡的角度，反应要求在低温度下进行有利于平衡右移。如何解决这一矛盾？
2.资料表明，合成氨工业生产中，采用的条件一般是“20~50MPa、700K、铁催化
三．活学活用
【例题1】合成氨的温度和压强通常控制在约500℃和2×107Pa～5×107Pa的范围，且进入合成塔的N2、H2的体积比为1：3经科学测定，在相应条件下NH3的平衡浓度（体积分数）如表所示：
压强 2×107Pa 5×107Pa
氨气的体积分数 19.1％ 42.2％
而实际从合成塔出来的混合气体中含氨气约为15％，这表明（ ）
A 表中所测数据有明显的误差 B 生产条件控制不当
C 氨的分解速率大于预测值 D 合成氨反应未达到平衡
【变式探究】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
【例3】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。
【变式探究】在一定条件下，将10.0mol H2和1.0 N2充入恒容密闭容器中，发生反应N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)并达到平衡状态，则H2的转化率可能是（ ）
A 15％ B 30％ C 35％ D 75％
四．达标检测
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．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⑴ B．⑴⑵ C．⑵⑶⑷ D．⑴⑷
3．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7 mol/(L·h) ③H2的起始浓度为13mol/L④N2起始浓度为2 mol/L ⑤H2的转化率为46.2%
A．①② B．②⑤ C．①③⑤ D．②④
五．课后延伸
1．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
2．二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3.03×105Pa B、温度25℃、压强1.01×105Pa
C、温度130℃、压强5.05×104Pa D、温度0℃、压强5.05×104Pa
3．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
4．一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。
5．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 。
6.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)
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