第2章第4节化学反应的调控（教师版）-2021-2022学年高二化学同步精品学案（新教材人教版选择性必修1）

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《2021-2022 学年高二化学同步精品学案（新人教版选择性必修 1）》
第二章 化学反应速率与化学平衡
第四节　化学反应的调控
一、合成氨反应的原理分析
1．合成氨反应的特点
（1）反应原理：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1
（2）反应特点
①可逆性：反应为可逆反应。
②体积变化(熵变)：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。
③焓变：ΔH< 0，是放热反应。
2．原理分析：根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氯的反应速率、提高平衡混合物中氨的含
量？请填入下表。
3．数据分析：课本表 2－2中的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中的含量的变化情况（初始时氮气和
氢气的体积比是 1：3）。分析表中数据，结合合成氨反应的特点，讨论应如何选择反应条件，以增
大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量。
温度/℃
氨的含量/%（体积分数）
0.1MPa 10 MPa 20 MPa 30MPa 600MPa 100MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 62.5 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.7
600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4
综合上述两个方面，分析增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致。
〔结论〕①增大压强，氨的含量提高 ；这与反应速率是一致的。
②升高温度，氨的含量降低 ；这与反应速率是不一致的。
二、工业合成氨的适宜条件
1．问题讨论
适宜条件
压强 原理分析 压强越大越好
选用条件 一般采用的压强为 10 ～ 30 MPa 。
对合成氨反应的影响 影响因素
浓度 压强 温度 催化剂
增大合成氨的反应速率 增大反应物浓度 增大压强 升高温度 使用催化剂
提高平衡混合物中氨的含量 增大反应物浓度或
减小生成物浓度 增大压强 降低温度 无影响
合成氨时不采用更
高压强的理由
压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，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。
温度
原理分析 低温有利于提高原料的平衡转化率。
选用条件 一般采用的温度为 400 ～ 500 ℃ ℃。
不采用低温的理由 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。
催化剂
原理分析 在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。
选用条件 通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
选择催化剂的理由 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
快地进行反应。
注意事项
为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
合成氨反应一般选择 400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒
在500 ℃左右时的活性最大。
浓度
分离液氨 采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中
分离出去，以促使平衡向生成 NH3的方向移动。
循环利用 N2和H2
应将 NH3分离后的原料气循环使用，既提高了原料的利用率，
又提高了反应速率，有利于合成氨反应。
【归纳整理】 工业合成氨的适宜条件和工艺（促进用“↑”、抑制用“↓”、无影响用“—”）
外部条件 速率 平衡 工业合成氨的适宜条件
加压 ↑ ↑ 10 ～ 30 MPa
升温 ↑ ↓ 400 ～ 500 ℃
催化剂 ↑ — 使用铁触媒作催化剂
分离液氨 ↓ ↑
循环利用 N2和H2↑ ↑
2.合成氨的工艺流程
3．选择化工生产适宜条件的分析角度
分析角度 原则要求
本身因素 参加反应的物质组成、结构和性质
从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意
二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降
低生产成本
从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的使用活性分析 注意温度对催化剂的活性的限制
从主、副反应选择性分析 促进主反应、抑制副反应，提高主反应的选择性
社会效益 注意环境保护，把握绿色化学原则，原料、工艺绿色、低
耗
【预习检验】
1．对于合成氨反应 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是(　　)
选项 A B C D
研究
结果压强对反应的影响 温度对反应的影响 平衡体系增加 N2
对反应的影响
催化剂对反应的
影响
图示
【答案】C
〔解析〕A项，由于 p1条件先达到平衡，故p1>p2，由 p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，
错误；B项，由于此反应 ΔH<0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，错误；C项，增大 N2的量，会使正反应速率
瞬间增大，使化学平衡右移，正确；D项，使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。
2．合成氨反应通常控制在 10 MPa~30 MPa 的压强和 500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为
1∶3，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示：
压强 20 MPa 60 MPa
500 ℃19.1 42.2
而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明(　　)
A.表中所测数据有明显误差 B.生产条件控制不当
C.氨的分解速率大于预测值 D.合成塔中的反应并未达到平衡
【答案】D　
〔解析〕表中数据为通过科学实验所得,不可能有明显误差;合成氨连续操作,不可能对生产条件控制不当;平衡浓度问
题与速率的大小没有直接关系,因此答案选 D。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题,并未让合成氨反应达到平
衡,因为让反应达到平衡需要一定的时间,时间太长,得不偿失。
3．下图所示为工业合成氨的流程图。下列有关生产条件的调控作用分析正确的是________(填序号)。
（1）步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒
（2）步骤②中“加压”可以加快反应速率
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