化学反应条件的优化精讲精练习与习题
化学反应条件的优化——工业合成氨
（讲义）
一、知识点睛
1.工业合成氨反应的限度
（1）反应原理
_________________________________
已知298 K时，△H = -92.2 kJ·mol-1
△S = -198.2 J·mol-1·K-1
（2）反应方向的判断
△H-T△S_____0，该反应在常温下_____自发进行。
（3）反应的限度分析
①______温度、______压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动；
②在一定温度、压强下，反应物N2、H2的体积比为1:3，反应达到化学
平衡时，混合物中NH3的含量最高。
2.工业合成氨反应的速率
（1）合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系
v = k c(N2) c1.5(H2) c-1(NH3)
（2）反应的速率分析
①增大_________的浓度，有利于提高反应速率；
②将_________及时分离，有利于提高反应速率；
③______温度，有利于提高反应速率；
④使用合适的_______，有利于提高反应速率。
3.工业合成氨的适宜条件
（1）合成氨条件选择的理论分析
（2）合成氨的实际条件
①压强：低压1×107 Pa
中压2×107 ~3×107 Pa
高压8.5×107 ~1×108 Pa
②温度：700 K左右
③催化剂：铁
④浓度：N2与H2的物质的量之比为1:2.8
4.工业合成氨的主要生产流程
（1）造气
原料气中的N2来自于空气。
原料气中的H2来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。以天然气为原料
时，反应可简单表示为：
CH4+H2O CO+3H2、CO+H2O CO+H2
（2）净化
消除造气过程中夹带的杂质，防止催化剂中毒。
（3）合成氨
这部分包括NH3的分离，N2和H2的循环使用，利用
反应产生的热预热合成气等。
5.工业生产中化学反应条件的优化
需考虑的因素有：化学反应速率快、原料利用率高、催化剂活性高、现实设备允许。
二、精讲精练
1.合成氨反应的特点是（）
①可逆②不可逆③正反应放热④正反应吸热
⑤正反应气体体积增大⑥正反应气体体积减小
A．①③⑤B．②④⑥
C．①③⑥D．④⑤⑥
2.在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（）
A．延长反应时间B．充入过量H2
C．充入过量N2D．升高温度
3.对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合
是（）
①高温②低温③低压④高压
⑤催化剂⑥加氨⑦除氨
A．②④⑤B．②④⑦C．①④⑤D．②③⑥
4.从化学反应速率和化学平衡两个角度考虑，合成氨应采用的条件是（）
A．低温、高压、催化剂B．低温、低压、催化剂
C．适宜温度、高压、催化剂D．高温、高压、催化剂
5.工业上合成氨时一般采用700 K左右的温度，原因是（）
①提高合成氨的速率②提高氢气的转化率
③提高氨的产率④催化剂在700 K时活性最大
A．只有①B．①②C．②③④D．①④
6.工业合成氨反应中，使用催化剂和施以高压，下列叙述正确的是（）
A．都能提高反应速率，都对平衡状态无影响
B．都对平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用时间
C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有加压对化学平衡状态有影响
D．催化剂能缩短达到平衡状态所用时间，压强无此作用
7.关于合成氨工业的下列说法正确的是（）
A．合成氨工业的反应温度控制在400～500℃左右，因为该
条件下氨的产率最高
B．合成氨工业采用10～30 MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好
C．由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的来说氨的产率很高
D．从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业效率都很低
8.传统合成氨工业需要高温、高压和催化剂的反应条件。近来美国化学家使用
新型铁系催化剂，在常温下合成了氨气。下列说法正确的是（）
A．新型合成氨方法是吸热反应
B．新型合成氨方法可简化生产设备
C．新型催化剂提高了N2和H2的转化率
D．两种方法中该反应的化学平衡常数相等
9.根据合成氨的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是（）
A．研制耐高压的合成塔
B．采用超大规模的工业生产
C．研制耐低温复合催化剂
D．探索不用N2、H2合成氨的新途径
10.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得：
（1）C(s)+H22(g) △H>0
（2）CO(g)+H22(g)+H2(g) △H<0
工业生产中，欲提高CO转化率，可采用的方法是（）
①降低温度②增大压强③使用催化剂
④增大CO浓度⑤增大水蒸气浓度
A．①⑤B．②③C．②④⑤D．③⑤
11.工业合成氨技术是对人类的巨大贡献之一。下面是合成氨的简要流程示意图：
（1）合成氨反应原料气N2的制备方法是_______________，
其中N2、H2的体积比高于1:3的原因是___________
_____________________________________________。
（2）原料气中往往含有H2S、CO、CO2等杂质，必须除去这些杂质的目的是_____________________________。
（3）上述流程示意图中的催化剂是____________。
（4）热交换器的作用是_______（填字母）。
a．提高N2的转化率
b．充分利用能源，降低成本
c．提高产物的产率
（5）沿X路线进入压缩机的物质是_________________，循环的目的是_________________________________。
12.有平衡体系CO(g)+2H23OH(g) △H<0，为增加甲醇（CH3OH）的
年产量，应采取的正确措施是（）
A．高温、高压
B．适宜的温度、高压、催化剂
C．低温、高压、催化剂
D．高温、高压、催化剂
13.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：2SO2(g)+O23(g)
△H<0。已知制备SO3过程中使用的催化剂是V2O5。下表为不同温度和压强下SO
1×105 Pa1×106 Pa5×106 Pa1×107 Pa
450℃97.5%99.2%99.6%99.7%
550℃85.6%94.9%97.7%98.3%
（1）实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，是由于
______________________________。
（2）实际生产中采用的压强为常压，原因是_____________
______________________________________________
_____________________________________________。
（3）根据化学原理综合分析，为了使SO2尽可能转化为SO3，可控制的条件是_______________________。
（4）在生产中常用过量的空气是为了__________________
_____________________________________________。
14.金属钾和金属钠的金属性相近，且钾比钠略强。当利用金属钾和钠盐共融制
金属钠时，发现钾和钠的共融体难以分离。如调整温度到一定程度，则可利用金属钠和氯化钾反应制取金属钾。
（1）钠能制取钾的原因是_________________________。
（2）该反应制取钾的温度是_______。
A．97.8℃～770℃B．770℃～774℃
C．774℃～882.9℃D．1413℃～1500℃
（3）在制取钾的过程中，为了提高原料的转化率可以采取的措施是_____________________________________。
【参考答案】
一、知识点睛
1.（1）N2(g)+3H23(g)
（2）<0 能
（3）①降低增大
2.（2）①N2或H2②NH3
③升高④催化剂
二、精讲精练
1.C
2.C
3.B
4.C
5.D
6.C
7.C
8.B
9.C
10.A
11.（1）分离液态空气法
适当提高N2的比例，加快合成氨反应的进行
（2）防止催化剂中毒
（3）铁
（4）b
（5）N2、H2提高原料气的利用率
12.B
13.（1）在此温度下，催化剂活性最高
（2）在常压下，SO2的转化率（97.5%）已经很高，若再加压，平衡正向移动效果不明显，且对设备要求高，成本高
（3）450℃、常压、催化剂
（4）增大O2的浓度，提高成本较高的SO2的转化率
14.（1）产物钾为气体
（2）C
（3）及时分离出产物钾
化学反应条件的优化——工业合成氨
（习题）
8.在密闭容器中进行合成氨的反应，达到平衡后，将体系中各物质的浓度增大
到原来的2倍，则产生的结果是（）
①平衡不移动②平衡向正反应方向移动③v
正、v
逆
都增大
④平衡向逆反应方向移动⑤NH3的百分含量增加
A．①③B．①②③C．③④D．②③⑤
9.对于可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H<0，下列研究目的与图示相符
的是（）
A．B．
C．D．
10.关于工业合成氨的叙述中错误的是（）
A．在动力、设备、材料允许下，反应尽可能在高压下进行
B．温度越高越有利于工业合成氨
C．在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本
D．及时从反应体系中分离出氨气，有利于平衡向正反应方
向移动
11.在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动
的是（）
①不断将NH3分离出来
②使用催化剂
③采用700K左右的高温而不是常温
④采用2×107～5×107Pa的压强
A．①②B．②③C．①④D．③④
12.哈伯发明了低成本合成大量氨的方法，流程图中为提高原料转化率而采取的
措施是（）
A．①②③B．①③⑤C．②④⑤D．②③④
13.工业制硝酸需经过下面两个可逆反应：①2NO+O2
△H<0；②3NO2+H23+NO △H<0。若要生产较大浓度的硝酸，可采取的措施是（）
A．高温低压B．高温高压
C．低温低压D．低温高压
14.合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)
在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO，其反应是：Cu(NH3)2Ac+CO+NH3)3]Ac?CO△H<0。回答下列问题：
（1）必须除去原料气中的CO的原因是_________________。
（2）醋酸二氨合铜溶液吸收CO的适宜条件是___________。
（3）吸收CO后的醋酸二氨合铜经过适当的处理又可再生，
恢复吸收CO的能力以供循环使用。醋酸二氨合铜再生
的适宜条件应是____________________。
15.表中实验数据是合成氨反应N2(g)+3H23(g)在不同温度和压强下，
平衡混合物中氨的含量的变化情况[起始时
n（N2）：n（H2
0.1MPa10MPa30MPa60MPa100MPa
200℃15.3%81.2%89.9%95.7%98.8%
300℃ 2.6%52.9%71.0%84.3%92.6%（1）比较200℃、300℃时的数据，可判断升高温度，平衡
将_________移动（填“正向”或“逆向），正反应为_________反应（填
“吸热”或“放热）。
（2）200℃、100MPa时，平衡混合物中氨的含量已达98.8%，如果继续增大压强，______（填“能”或“不能”）使平衡混合物中氨的含量等于
1，理由是______________
_____________________________________________。
（3）欲使平衡混合物中氨的含量为71.0%，则选择的反应条件应为__________________。
（4）欲使平衡混合物中氨的含量增大，则可采取的措施有
___________________________（写两条即可）。
【参考答案】
1.D
2.C
3.B
4.B
5.C
6.D
7.（1）防止催化剂中毒
（2）低温、高压
（3）高温、低压
8.（1）逆向放热
（2）不能该反应为可逆反应，无论进行多长时间，反应物都不可能全部转化为生成物
（3）温度为300℃、压强为30MPa
（4）增大压强（加压）、降低温度（降温）