合成氨条件的选择
[重点难点]：理解应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。
1．合成氨反应特点
合成氨反应：N2(g)+3H2(g)== （可逆）2NH3(g) (正反应为放热反应) 该反应有如下特点：①反应物和生成物都是气体的可逆反应； ②正反应是一个气体体积缩小的反应；③正反应是一个放热反应； ④N2极不活泼，通常条件下反应难以进行。（氮氮三键极为稳定）
2．合成氨反应条件的选择原理
工业生产中既要考虑⑴尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要⑵选择较快的反应速率，提高单位时间的产率。以上两点是选择反应条件的出发点，当二者发生矛盾时，要结合具体情况辩证分析，找出最佳的反应条件。（考虑经济效益，安全性，可操作性等。）
3．合成氨条件的选择
①压强——20MPa ～50MPa
由合成氨的反应方程式我们可以看出，增大压强既有利于增大合成氨的化学反应速率，又能使化学平衡向着正反应方向移动，有利于NH3的合成，因此，从理论上讲，合成氨时压强越大越好。例如，有研究结果表明，在400℃、压强超过200MPa 时，不必使用催化剂，氨的
合成反应就能顺利进行。但在实际生产中，压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求也就越高，这将会大大增加生产的投资，并可能降低综合经济效益。目前合成氨生产中，为耐高压合成塔的钢板厚度已达10cm 左右，如果再增大压强，H2就会穿透如此厚度的钢板而泄漏，而且即使使用特种钒合金钢，也难以承受这样巨大的压强。因此，受动力、材料、设备等条件的限制，目前我国的合成氨厂一般采用的压强是20M|Pa～50MPa 。
②温度——500℃左右
从平衡角度考虑，合成氨低温有利，但温度过低，速率很慢，需要很长的时间。
当压强一定、温度升高时，虽然能增大合成氨的反应速率，但由于合成氨反应是放热反应，升高温度会降低平衡混合物中NH3的含量。因此，从反应的理想条件来看，氨的合成反应在较低温度下进行有利。但是温度过低，反应速率很小，需要很长的时间才能达以平衡状态， 这在工业生产上是很不经济的。所以综合考虑上述因素，在实际生产上，合成氨反应一般选择在500℃左右的温度下进行。
③催化剂——铁触媒
N2的分子结构比较稳定，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。
通常，为了加快N2与H2的化合反应速率，大都采用加入催化剂的方
法，以降低反应所需的能量（活化分子理论），使反应物在较低温度时能较快地进行反应。在合成氨反应中：常用的催化剂有含铁和含锇两类。含铁的催化剂原料易得，价格便宜，催化剂活性适中，寿命较长。含锇的催化剂原料稀少，价格昂贵，催化剂活性最高，寿命很长。目前，合成氨工业中普遍使用的主要是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。温度对催化剂活性的影响：铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨反应一般选择在500℃左右进行的重要原因之一。
④浓度——减小生成物氨气的浓度
合成氨工业中氮气和氢气的比例1∶3，因为两种气体都不易得，所以不能采用增大其中任何一种气体的量来提高转化率。但是在实际生产中常采用不断分离生成物氨气的方法来使平衡向生成物方向移动，提高氮气和氢气的转化率。总之，选择合成氨的条件时综合考虑各种因素。运用化学反应速率和化学平衡原理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素，选择合成氨的条件。
例1．合成氨工厂通常通过测定反应前后混合气体的密度来确定NH 3的转化率。某工厂测定通过合成塔前N 2、H 2混合气体的密度为
0.379g/L（标况）。从合成塔中出来的混合气体密度为0.693g/L（标况）。求该合成氨厂N 2的转化率。
[分析]先确定原料气的组成比，再由始、转、平物质的量关系进行计算。
原料气的平均摩尔质量=0.379g/L×22.4L/mol=8.490g/mol。 反应后混合气体的平均摩尔质量=0.693g/L×
22.4L/mol=15.523g/mol。
设原料中N 2、H 2的物质的量分别为1mol 、3mol ，总质量为34g ，
有xmolN 2转化
N 2 + 3H2 2NH 3
起始/mol 1 3 0
转化/mol x 3x 2x
平衡/mol (1-x) (3-3x) 2x
平衡时总物质的量为(4-2x)mol
=15.523g/mol 解得：x=0.905 N 2的转化率= ×100%=90.5%
CO 2+H2。例2．在557℃时，密闭容器中进行下列反应CO+H2O （g ）
若CO 起始浓度为2mol/L，水蒸气浓度为3mol/L，达到平衡时，测得CO 2的浓度为1.2mol/L。求CO 及H 2O 的转化率。
分析：在掌握起始浓度、转化率、平衡浓度之间的关系和正确理解转化率概念的基础上，抓住转化浓度，利用常规解题方法。 CO + H2O(气) CO 2 + H2
起始浓度 mol/L 2 3 0 0 转化浓度 mol/L 1.2 1.2 1.2 1.2 平衡浓度 mol/L 0.8 1.8 1.2 1.2 所以，CO 的转化率=
H2O(气) 的转化率= ×100%=60% ×100%=40%
例3．在557℃时，密闭容器中进行下列反应CO+H2O (g)
CO 2+H2。若CO 起始浓度为2mol/L，水蒸气浓度为6mol/L，达到平衡
时，测得CO 2的浓度为1.5mol/L。求CO 及H 2O 的转化率。
分析：注意本题与上题的不同点与相同点：
CO + H2O(气) CO 2 + H2
起始浓度 mol/L 2 6 0 0 转化浓度 mol/L 1.5 1.5 1.5 1.5 平衡浓度 mol/L 0.5 4.5 1.5 1.5 所以，CO 的转化率= ×100%=75%
H 2O(气) 的转化率= ×100%=25%
通过以上两题的计算可知，增加某一反应物的浓度化学平衡向正反应方向移动，可以提高其它反应物的转化率；若容器体积不变，其它反应物的浓度减小，生成物的浓度增大，而自身浓度增大但转化率下降。
合成氨条件的选择
[重点难点]：理解应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。
1．合成氨反应特点
合成氨反应：N2(g)+3H2(g)== （可逆）2NH3(g) (正反应为放热反应) 该反应有如下特点：①反应物和生成物都是气体的可逆反应； ②正反应是一个气体体积缩小的反应；③正反应是一个放热反应； ④N2极不活泼，通常条件下反应难以进行。（氮氮三键极为稳定）
2．合成氨反应条件的选择原理
工业生产中既要考虑⑴尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要⑵选择较快的反应速率，提高单位时间的产率。以上两点是选择反应条件的出发点，当二者发生矛盾时，要结合具体情况辩证分析，找出最佳的反应条件。（考虑经济效益，安全性，可操作性等。）
3．合成氨条件的选择
①压强——20MPa ～50MPa
由合成氨的反应方程式我们可以看出，增大压强既有利于增大合成氨的化学反应速率，又能使化学平衡向着正反应方向移动，有利于NH3的合成，因此，从理论上讲，合成氨时压强越大越好。例如，有研究结果表明，在400℃、压强超过200MPa 时，不必使用催化剂，氨的
合成反应就能顺利进行。但在实际生产中，压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求也就越高，这将会大大增加生产的投资，并可能降低综合经济效益。目前合成氨生产中，为耐高压合成塔的钢板厚度已达10cm 左右，如果再增大压强，H2就会穿透如此厚度的钢板而泄漏，而且即使使用特种钒合金钢，也难以承受这样巨大的压强。因此，受动力、材料、设备等条件的限制，目前我国的合成氨厂一般采用的压强是20M|Pa～50MPa 。
②温度——500℃左右
从平衡角度考虑，合成氨低温有利，但温度过低，速率很慢，需要很长的时间。
当压强一定、温度升高时，虽然能增大合成氨的反应速率，但由于合成氨反应是放热反应，升高温度会降低平衡混合物中NH3的含量。因此，从反应的理想条件来看，氨的合成反应在较低温度下进行有利。但是温度过低，反应速率很小，需要很长的时间才能达以平衡状态， 这在工业生产上是很不经济的。所以综合考虑上述因素，在实际生产上，合成氨反应一般选择在500℃左右的温度下进行。
③催化剂——铁触媒
N2的分子结构比较稳定，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。
通常，为了加快N2与H2的化合反应速率，大都采用加入催化剂的方
法，以降低反应所需的能量（活化分子理论），使反应物在较低温度时能较快地进行反应。在合成氨反应中：常用的催化剂有含铁和含锇两类。含铁的催化剂原料易得，价格便宜，催化剂活性适中，寿命较长。含锇的催化剂原料稀少，价格昂贵，催化剂活性最高，寿命很长。目前，合成氨工业中普遍使用的主要是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。温度对催化剂活性的影响：铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨反应一般选择在500℃左右进行的重要原因之一。
④浓度——减小生成物氨气的浓度
合成氨工业中氮气和氢气的比例1∶3，因为两种气体都不易得，所以不能采用增大其中任何一种气体的量来提高转化率。但是在实际生产中常采用不断分离生成物氨气的方法来使平衡向生成物方向移动，提高氮气和氢气的转化率。总之，选择合成氨的条件时综合考虑各种因素。运用化学反应速率和化学平衡原理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素，选择合成氨的条件。
例1．合成氨工厂通常通过测定反应前后混合气体的密度来确定NH 3的转化率。某工厂测定通过合成塔前N 2、H 2混合气体的密度为
0.379g/L（标况）。从合成塔中出来的混合气体密度为0.693g/L（标况）。求该合成氨厂N 2的转化率。
[分析]先确定原料气的组成比，再由始、转、平物质的量关系进行计算。
原料气的平均摩尔质量=0.379g/L×22.4L/mol=8.490g/mol。 反应后混合气体的平均摩尔质量=0.693g/L×
22.4L/mol=15.523g/mol。
设原料中N 2、H 2的物质的量分别为1mol 、3mol ，总质量为34g ，
有xmolN 2转化
N 2 + 3H2 2NH 3
起始/mol 1 3 0
转化/mol x 3x 2x
平衡/mol (1-x) (3-3x) 2x
平衡时总物质的量为(4-2x)mol
=15.523g/mol 解得：x=0.905 N 2的转化率= ×100%=90.5%
CO 2+H2。例2．在557℃时，密闭容器中进行下列反应CO+H2O （g ）
若CO 起始浓度为2mol/L，水蒸气浓度为3mol/L，达到平衡时，测得CO 2的浓度为1.2mol/L。求CO 及H 2O 的转化率。
分析：在掌握起始浓度、转化率、平衡浓度之间的关系和正确理解转化率概念的基础上，抓住转化浓度，利用常规解题方法。 CO + H2O(气) CO 2 + H2
起始浓度 mol/L 2 3 0 0 转化浓度 mol/L 1.2 1.2 1.2 1.2 平衡浓度 mol/L 0.8 1.8 1.2 1.2 所以，CO 的转化率=
H2O(气) 的转化率= ×100%=60% ×100%=40%
例3．在557℃时，密闭容器中进行下列反应CO+H2O (g)
CO 2+H2。若CO 起始浓度为2mol/L，水蒸气浓度为6mol/L，达到平衡
时，测得CO 2的浓度为1.5mol/L。求CO 及H 2O 的转化率。
分析：注意本题与上题的不同点与相同点：
CO + H2O(气) CO 2 + H2
起始浓度 mol/L 2 6 0 0 转化浓度 mol/L 1.5 1.5 1.5 1.5 平衡浓度 mol/L 0.5 4.5 1.5 1.5 所以，CO 的转化率= ×100%=75%
H 2O(气) 的转化率= ×100%=25%
通过以上两题的计算可知，增加某一反应物的浓度化学平衡向正反应方向移动，可以提高其它反应物的转化率；若容器体积不变，其它反应物的浓度减小，生成物的浓度增大，而自身浓度增大但转化率下降。