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化学反应条件的优化——工业合成氨
第4节
第
2
章
1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，学会通过运用变量控制反应方向，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法(重点)。
2.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件，形成可持续发展意识(难点)。
学
习
目
标
内
容
索
引
目标一　合成氨反应的限度与速率
目标二　合成氨生产的适宜条件
合成氨反应的限度与速率
< 目标一 >
你知道哪些反应可以实现氮的固定？试分析合成氨反应的特点，据此思考如何选择合适条件，加快合成氨的反应速率、提高氨的产率？
新课导入
1.合成氨反应的特点
N2(g)+3H2(g)　　2NH3(g)　
ΔH=-92.2 kJ·mol-1，ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1。
(1)可逆性：可逆反应。
(2)体积变化：正反应是气体物质的量减小的反应。
(3)焓变：ΔH<0，ΔS<0
(4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能正向自发进行。
2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较
条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果
压强
温度 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性
催化剂
浓度 反应物氮气或氢气的浓度 某一反应物的浓度， 反应产物的浓度 增大反应物的浓度，且不断减小反应产物的浓度
从化学平衡的角度分析，在一定的温度、压强下：
N2和H2的体积比为1∶3，氨的含量最高。
高压
高压
高压
高温
低温
使用
无影响
使用
增大
增大
降低
(1)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行
(2)在合成氨的实际生产中，温度越低、压强越大越好
(3)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率
(4)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应
(5)增大反应物的浓度，减少反应产物的浓度，可以提高氨的产率
(6)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的
×
×
√
×
×
×
1.正误判断
2.实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)，请你根据该关系式分析，各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？
由合成氨反应的化学反应速率公式可知，在一定温度、压强下，化学反应速率与反应物浓度[c(N2)或c1.5(H2)]成正比关系，与反应产物浓度[c(NH3)]成反比关系。
在一定温度、压强下，可采取增大反应物浓度、减小反应产物浓度的措施来提高化学反应速率。另外还可采取升高温度、使用合适的催化剂等措施来加快反应速率。
3.可逆反应：3H2(g)+N2(g)　　2NH3(g)　ΔH<0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是
A.升高温度，减小压强，增加氮气
B.降低温度，增大压强，加入催化剂
C.升高温度，增大压强，增加氮气
D.降低温度，增大压强，分离出部分氨
√
放热反应
正反应气体体积减小
平衡正向移动
提高反应速率，但不影响平衡移动
c(NH3)减小，正向移动
合成氨生产的适宜条件
< 目标二 >
工业合成氨反应条件的选择主要基于哪些因素考虑？
结合课本内容，实际生产中选择哪些适宜的条件呢
注意选择这些条件的理由
化学反应速率；
化学反应限度；
生产实际
催化剂铁触媒、10～30 MPa、400～500 ℃
思考讨论
1.工业合成氨适宜条件的选择
从反应速率和反应限度两个角度
(1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。
(2)选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量。
(3)考虑设备的要求和技术条件等。
2.合成氨反应的适宜条件
(1)压强
目前我国的合成氨厂一般采用的压强为10~30 MPa。
合成氨时不采用更高压强的理由： ___________________________。
答案　压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。
(2)温度
实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃。
不采用低温的理由：_________________________________________。
答案　温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的，且铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。
(3)催化剂
①目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
②我们知道催化剂对平衡转化率无影响，在合成氨工业中还要使用催化剂的原因是____________________________________________________。
答案　即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。加入催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应。提高单位时间的生产效率，可提高经济效益。
③什么是催化剂中毒？工业上如何防止催化剂中毒？
答案　因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程。
　　　原料气必须经过净化。
(4)浓度
及时将氨气从反应混合物中分离出去， 将未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。
(5)投料比
①大量实验证明，在一定的温度、压强下，合成氨反应中当n(N2)∶n(H2)=1∶3时，氨的平衡体积分数最大。
②研究表明，氮气和氢气通过吸附在催化剂表面发生一系列反应生成氨，N2的吸附分解反应活化能高，速率慢，是合成氨反应的决速步，实际生产中，N2和H2的物质的量之比并非1∶3，而是1∶2.8，分析说明原料中N2适度过量的2个理由：　　　　 、
　　　　　　　 　　　　　　。
(6)其他：兼顾环境保护和社会效益。
N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率
适当提高N2比例，加快合成氨的反应速率
3.合成氨的生产流程
原料气制取
净化
压缩
合成
冷却
分离
液氨
N2、H2
1.(2024·山东德州高二检测)下列有关合成氨条件选择的说法正确的是
A.适当增加氢气的浓度可提高氮气的平衡转化率
B.温度越高，速率越快，生产效益越好
C.使用铁触媒能提高合成氨反应的平衡转化率
D.将氨及时液化分离不利于提高氨的产率
√
反应放热，合成氨的转化率降低
催化剂，不改变平衡转化率
正向移动，有利于提高氨的产率
2.(2024·扬州大学附属中学高二质检)合成氨反应：N2(g)+3H2(g)　　2NH3(g)，
N2(g)与H2(g)反应生成1 mol NH3(g)放出46 kJ的热量。该反应通常需要在高温(400~500 ℃)、高压(10~30 MPa)条件下进行，反应过程通常采用铁触媒作为催化剂。下列说法不正确的是
A.合成氨反应中采用400~500 ℃高温主要是因为此时催化剂的活性最大
B.合成氨反应中采用高压的目的主要是促进平衡向右移动
C.合成氨反应中采用铁触媒作为催化剂可以加快反应速度
D.合成氨反应中将0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)置于密闭容器中充分反应
其放出的热量为46 kJ
√
小于46 kJ
______________________________________________________________________________________________________________(写出计算过程)。
3.如图为500 ℃、60.0 MPa条件下，平衡时NH3的体积分数与原料气投料比的关系。
(1)若投料比为4时，NH3的体积分数可能为图中的　　点。
(2)若投料比为3时，NH3的最大体积分数为42%，计算H2的平衡体积分数：_________
P
大体积分数即为平衡体积分数，NH3体积分数为42%，H2、N2的体积分数之和为58%，则H2的平衡体积分数：×3=43.5%
NH3的最
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