2017人教版高中化学选修2第3课时《合成氨的反应原理》word导学案.doc

1、第 3 课时 合成氨的反应原理 学案 【学习目标】 1.了解合成氨的反应原理。 2.了解如何利用反应速率和化学平衡知识，选择合成氨的适宜条件。 【重点难点】 合成氨的反应原理和合成氨的适宜条件 课前预习 【情景材料】利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第 一次实验室研制到工业化投产，经历了约 130 年的时间。 化学反应 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)看起来十分简单，为什么合成氨的工 业化生产会经历如此漫长的发展过程？合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂 的生产设备和特殊的生产条件？ 【预习内容】 根据教材有关内容填写下列空白： 一、氮的存在和固定 1存在 地壳

2、中含量只有 ，大气中氮气占空气体积的 。 2氮的固定 (1)概念：氮的固定是指 的方法。 (2)分类 二、合成氨的反应原理 1.反应原理：用氢气和氮气合成氨的化学方程式为： 。 如下图合成氨装置 加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氮气的混合气体，可以看到润湿 pH 试纸变 色。 2.反应特点：合成氨反应是一个 、 、 的反 应。 3.反应条件：工业上，合成氨的适宜条件为 、 、 。 预习内容答案 一、1.0.04% 78% 2.将游离态氮转化为化合态氮 通过闪电等产生氮的化合物 豆科植物的根瘤菌固氮 工业合成氨 二、1.N 23H 2 2NH3 蓝 2.可逆 放热 气体分子总数减少 3.铁为

3、主的催化剂 400500，1030 MPa 堂中互动 【问题探究 1】利用课本 P9 的图 1-4 氮的自然界的循环来理解如何有效利用廉价的自然资 源来生产含氮化合物？哪一种自然过程可能会成为工业化生产过程？ 【教师点拨】将游离态氮转化为化合态氮的方法叫氮的固定，把握概念与物质的性质。 分析解答:氮的自然界的循环图中可以找到氮气与含氮化合物之间的转化，从氮的固定概念 出发找到物质间的转化方式与氮的固定的分类。 【即学即练 1】农作物生长发育需要大量的氮养分，除了可用人工 固氮方法(合成氨)获得氨态氮外，自然界雷电现象也是一种固氮途 径，经由雷电固定的氮是硝态氮(硝酸或硝酸盐形式) ，写出氮气转

4、 化为硝酸的化学方程式 _，_，_ _。 1.N2O 2 2NO 2NOO 2=2NO2 3NO 2H 2O=2HNO3NO= = = = = 放 电 【解析】电闪雷鸣的雨天，会产生放电现象，使空气中的氮气和氧气反应生成了一氧化氮， 一氧化氮又被氧气氧化成二氧化氮。二氧化氮在雨水中与水反应生成硝酸。 【问题探究 2】合成氨反应是一个可逆反应：N 2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 。已知 298K 时： H = -92.2 kJmol-1，S = -198.2 JK-1mol-1，请根据正反应的焓变和熵变分析 298K 下合成 氨反应能否自发进行？请同学们写出合成氨反应的热化学方程式，

5、并讨论说明合成氨反应 的特点。 【教师点拨】估算得出HTS0，推知该反应可以自发进行。书写合成氨反应的热化 学方程式。 分析解答 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H = -92.2 kJmol-1 归纳： 可逆反应； 正反应是放热反应； 正反应是气体的物质的量减小（或熵减小） 的反应。 【即学即练 2】对于可逆反应 N2(气)3H 2(气) 2NH3(气) H0，下列说法正确的是( ) A达到平衡时反应物和生成物浓度一定相等 B达到平衡后加入氨气，重新达到平衡时，氨气的浓度比原平衡时大 C达到平衡时，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 逆反应的方向移动 D

6、加入催化剂可以缩短到达平衡的时间，这是因为加快了正反应的速率，而减慢了逆反 应的速率 2.B【解析】往往错选 C、D，原因：对升高温度可以使平衡向吸热反应方向移动的原因认 识不清；对使用催化剂可缩短到达平衡所用时间的原因认识不清；正确选项为 B。 【问题探究 3】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。 1.你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？ 2.实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率和参与反应的物质的浓度的关系式为： = k c (N2) c1.5(H2) c -1(NH3)。请你根据关系式分析：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

7、反应速率？ 3.请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响： 条件 EakJmol -1 k (催) / k (无) 无催化剂 335 使用铁催化剂 167 3.41012(460) 【教师点拨】选择适宜生产条件的原则： 既要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意外界条件对反应速率 和化学平衡影响的矛盾性。 既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性；又要注意催化剂的活性对温度的限制。 既要注意理论上的需要，又要注意实际操作的可能性。 分析解答：1.合成氨的工业条件的选择反应速率和化学平衡共同作用的结果。 2.选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高

8、反应速率，而应该 寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。 【即学即练 3】下列有关合成氨工业的说法中，正确的是( ) A.从合成塔出来的混合气体中，氨气占 15%，所以生产氨的工厂的效率都很低 B.由于氨易液化，N 2 和 H2 在实际生产中循环使用，所以总体来说，氨的产率很高 C.合成氨工业的反应温度控制在 500 ，目的是使化学平衡向正反应方向移动 D.我国合成氨厂采用的压强是 1030 MPa ，因为该压强下铁触媒的活性最大 3.B【解析】虽然从合成塔出来的混合气体中 NH3只占 15%，但由于原料气 N2和 H2循环使用 和不断分离出液氨，所以生产 NH3的效率还是很高的，

9、因此 A 项不正确。控制反应温度为 500 ，一是为了使反应速率不至于很低，二是为了使催化剂活性最大，因此，C 选项不 正确。增大压强有利于 NH3的合成，但压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备 的制造要求越高，我国的合成氨厂一般采用 1107310 7Pa，但这并不是因为该压强下 铁触媒的活性最大，因此，D 选项不正确。 练案 A 组（课堂反馈 满分 50 分） 一、选择题（每小题 5 分，共 35 分） 1.将空气中氮气转化为氮的化合物的过程称为固氮，下图中能实现人工固氮的是( ) 1.D【解析】A 错，因为闪电作用下的固氮是自然固氮。 B 错，因为与固氮风马牛不相及。 C 错，因

10、为它属于自然固氮。D 对，因为 N23H 2 2NH3 只能靠人工完成。 2.为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中具有开发价值的是( ) A.研制高温下活性较大的催化剂 B.寻求 NH3 的新来源 C.研制低温下活性较大的催化剂 D.研制耐高温高压的新型材料建造合成塔 2.C【解析】合成氨的反应是放热反应，降低温度有利于提高合成氨的生产效率。 3.下列关于氮气、氢气合成氨的说法中，正确的是( ) A.将氮气、氢气合成氨，必须施加高温、高压、催化剂等反应条件 B.在氮气、氢气合成氨的化学反应中，催化剂的性能对反应物的温度和压强的高低具有一 定的制约作用 C.现代工业上实施的合成氨属于仿生固氮

11、D.现代工业上实施的合成氨属于人工固氮 3.BD【解析】催化剂是影响化学反应速率外部因素中的主角。催化剂的性能强了，可以适 当降低反应物的温度和压强；催化剂的性能弱了，就要适当的提高反应物的温度和压强。 催化剂固有性能的发挥与温度有直接的关系，温度太高或太低，都会降低催化剂的活性。 生物固氮，是自然界中的一些微生物种群(如豆科植物的根廇菌)以自身的固氮酶为催化剂， 在常温、常压下，通过生物化学过程，将空气中的氮气转化成含氮化合物的固氮过程。仿 生固氮是人为的利用具有固氮酶作用的人造催化剂在常温、常压下的固氮。显然，现代工 业上实施的合成氨不属于仿生固氮。 4.合成氨时既要使合成氨的产率增大，又

12、要使反应速率加快，可采取的办法是( )。 减压 加压 升温 降温 及时从平衡混合气中分离出 NH3 补充 N2或 H2 加催加剂 减小 N2或 H2的量 A. B. C. D. 4.C【解析】合成氨反应 N2(g)3H 2(g) 2NH3(g) H0 的特点为：正反应放热且气 体体积减小，要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快，应选 C。 5.工业上用氮气和氢气合成氨：N 2+3H2 2NH3(反应放热)，从反应速率和化学平衡两 方面看，合成氨的适宜条件一般为压强：20 MPa50 MPa，温度：500 左右，催化剂： 铁触媒。下列有关合成氨工业的叙述不正确的是( ) A.使用铁触媒，可使氮气

13、和氢气混合气体之间的反应在较低温度下取得较高的反应速率 B.工业上选择上述条件下合成氨，可以使氮气全部转化为氨 C.上述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓度、压强等因素的影响 D.温度升高，不利于提高反应速率 5.BD 【解析】使用铁触媒能等幅度地加快正、逆反应速率，虽然平衡不发生移动，但能缩 短达到合成氨平衡的时间。但对于可逆反应，无论什么条件下，都不可能进行到底。通过 改变影响化学平衡移动的条件(如温度、反应物的浓度、压强等因素) ，可以改变化学反应 进行的限度。温度升高，有利于提高反应速率。 6.合成氨工业中，常加热至 500,下列有关叙述正确的是（ ） A.为加快反应速率，缩短达到平衡

14、所需要的时间 B.加快 v 正 ，减小 v 逆 C.使平衡向合成氨的方向移动 D.提高原料转化率 6.A【解析】合成氨是放热反应，采用 500的高温，从化学平衡上看，由于合成氨反应放 热，不利于氨的合成。但是为了提高反应速率，更快、更多的生成氨，也采用适当的高温。 7.在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中 NH3 的体积分数为 25%。若反应前 后保持条件不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是（ ） A. 1/5 B. 1/4 C. 1/3 D. 1/2 7.A【解析】设平衡后混合气体的体积为 100mL，则其中氨的体积为 25mL。由反应的化学 方程式 N23H 2 2

15、NH3 可以看出，每生成 2 体积的 NH3，反应体系的总体积也缩小 2 体积，从而推知，反应后缩小的气体体积和平衡后混合气体中 NH3 的体积相等，即缩小 的气体体积为 25mL，则反应前的气体体积为 100mL25ml125mL.反应后缩小的气体体 积与原反应物体积的比值是 251251/5 ，即选项 A 正确。 二、填空题（共 15 分） 8.(7 分) 已知：N 2(g)3H 2(g) 2NH3(g) H0，2SO 2(g)O 2(g) 2SO3(g) H0。 请回答下列问题： (1)从影响化学反应速率和化学平衡的因素分析，要有利于 NH3 和 SO3 的生成，理论上 应采取的措施是_

16、。实际生产中采取的措施是_ _。 (2)在合成氨的工业生产中，要分离出氨，目的是_ ；而合成 SO3 的过程 中，则不需要分离出 SO3，原因是_。 8.(1)适当温度、高压、催化剂 (1 分) 合成氨：适当温度、高压、催化剂；(1 分) 合成 SO3：适当温度、常压、催化剂(1 分) (2)减小生成物的浓度，使平衡向生成 NH3 的方向移动(2 分) 该反应向生成 SO3 的方向进行的程度较大，达到平衡后 SO2 剩余量较少，故不需要分离 SO3(2 分) 【解析】工业上合成 SO3 与合成氨的最大不同之处是该反应是在常压下进行的，原因是在 常压下该反应向生成 SO3 的方向进行的程度已经很

17、大，采用高压虽能使平衡向生成 SO3 方 向移动，但产生高压既需要动力又对反应容器耐压性有较高要求，综合生产成本和经济效 益两方面因素，实际生产时，在常压下进行最合理。 9.(8 分) 工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应： N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ，其部 分工业流程如下： 回答下列问题： (1)已知：N 2(g)+O2(g)=2NO(g) H=180.5kJ/mol 4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g) H=-905kJ/mol 2H2(g)+O2(g)=2H2(g) H=-483.6kJ/mol 则 N2(g)+2H2 2NH3(g)的H= _；

18、(2)如果工业上，在一定温度下，将 1.5molN2 气体和 6molH2 气体通入到体积为 1 升的密闭 容器中。当反应达到平衡时，容器内气体的压强为起始时的 80%，则其平衡常数为 _ 。改变下列条件，能使平衡向正反应方向进行且平衡常数不变的是 _ ; 增大压强 增大反应物质的浓度 使用催化剂 降低温度 (3)合成氨反应的平衡常数很小，所以在工业采取气体循环的流程。即反应后通过降低混合 气体的温度而使氢气分离出来。这种分离物质的方法其原理类似于下列哪种方法？ _(填编号) ，理由是_ 。 过滤 蒸馏 渗析 萃取 8. (1)-92.4kJ/mol （1 分） (2)0.057(molL-1

19、)2（2 分） ，（2 分） (3)（1 分） ；通过温度的改变而改变物质的状态，达到分离的目的。( 如果没有谈到状态 的改变，而只说温度不得分) （2 分） 。 【解析】合成氨工业，盖斯定律的应用，构造方程式，求反应热。三段法计算，求出平衡 时各物质的浓度，进而求平衡常数。要注意的时平衡常数不受温度的影响，催化剂只能改 变速率不能影响平衡移动。 B 组（课后拓展） 1.氨在工农业生产中应用广泛。在压强为 30MPa 时，合成氨平衡混合气体中 NH3的体积分数 如下： 温度/C 200 300 400 500 600 氨含量/% 899 710 470 264 138 请回答： (1)根据表中

20、数据，结合化学平衡移动原理，说明合成氨反应是放热反应的原因是 。(2)根据图，合成氨的热化学方程式是 。 (3)在一定温度下，将 2molN2和 6molH2通入到体积为 1L 的密闭容器中，发生反应 N 2+3H2 2NH3 ，2min 达到平衡状态时，H 2转化率是 50%，则用 H2表示该反应的平均速率 v(H2) = ；该温度下的平衡常数 K= (用分数表示)；欲使 K 增大，可以采取的 措施是 。 (4)从化学平衡移动的角度分析，提高 H2转化率可以采取的措施是 (选填序号字母) a及时分离出 NH3 b升高温度 c增大压强 d使用催化剂 1.(1)温度升高，氨在混合气体中体积分数减

21、小，平衡逆向移动，温度升高平衡向着吸热反 应方向移动，故正反应是放热反应 (2)N2(g)3H 2(g)=2NH3(g) H=92.2kJmol -1 (3)1.5molL-1min-1；4/27；降低温度 (4)ac 【解析】(1)据表中数据可知，随温度升高，氨的体积分数减小，平衡逆向移动，升温平衡 向着吸热反应的方向移动，逆反应是吸热反应，故正反应是放热反应。 (2)每 0.5mol N2 反应生成 1mol NH3 的焓变H= 46.1kJmol -1，则每 1 mol N2 反应生成 NH3 的焓变H=2( 46.1 )= 92.2kJmol -1，则该反应的热方程式为 N2(g)3H

22、 2(g)=2NH3(g)； H=92.2kJmol -1。 (3)2min 达到平衡状态时，H 2 转化率是 50%，转化的 n(H2)= 650%=3mol，参加反应 N2 的 物质的量为 1mol，生成氨为 2mol，则 v(H2)=3mol /(1L2min)= 1.5molL-1min-1；该温度下 的平衡常数 K=c2(NH3)/c(N2) c3(H2)= 22/133 =4/27；该反应正反应为放热反应，降低温度 有利于平衡正向移动，平衡常数 K 增大。 (4)减小生成物 NH3 浓度、增大压强、降温及增大反应物 N2 的浓度均能使平衡向右移动， 且 H2 的转化率提高，答案为

23、ac。 2.某研究性学习小组利用以下材料来探究 NH3 的还原性，部分实验装置如下图。 材料一 NH 3 是强还原剂，能将某些金属氧化物还原为金属单质或低价态的氧化物。 如：2NH 33CuO 3CuN 23H 2O；= = = = = 材料二 Cu 在酸性溶液中不稳定，可发生自身氧化还原反应生成 Cu2 和 Cu，Cu 2O2H =Cu2 CuH 2O。 请回答下列问题： (1)在实验室里，该学习小组设计下列制取纯净干燥氨气的方案，简易、可行的最佳方案是 _。 A加热氯化铵固体，再通过碱石灰 B在 N2 和 H2 的混合气体中加入铁触媒，并加热至 500 ，再通过碱石灰 C加热浓氨水，再通过

24、碱石灰 D在生石灰中加入浓氨水，再通过碱石灰 (2)为证明 NH3 还原 CuO 的反应中有水生成，B 中应放入的试剂是_。 (3)当观察到_(填现象)，即表明 A 中的反应已经完成。 (4)该小组欲用体积比为 14 的稀硫酸作试剂，检验反应是否有 Cu2O 固体生成。现用 98% 的浓硫酸配制 14 的稀硫酸，所需的玻璃仪器除了胶头滴管外还有_ _。 可证明还原产物中含有 Cu2O 的操作及现象是_。 (5)请写出 A 中生成 Cu2O 的化学方程式_。 (6)若用定量的方法测定该反应是否生成 Cu2O，最简便且准确的方法是 _。 2.(1)C (2)无水硫酸铜 (3)A 中固体由黑色完全变

25、为红色 (4)烧杯、量筒、玻璃棒 加入硫酸后溶液呈蓝色( 其他合理答案也可) (5)2NH36CuO 3Cu2ON 23H 2O= = = = = (6)称量反应前后装置 A 中固体的质量 【解析】若加热氯化铵生成的氯化氢气体与氨气继续反应生成氯化铵固体，很难使气体放 出，而利用氮气和氢气反应条件太复杂，C、D 都可以快速制取氨气，而 C 用料更简单。 反应为通入氨气还原氧化铜，根据固体的颜色变化可以判断反应进行的程度。根据 Cu 在 酸性溶液中的不稳定性来判断。 3.现在普遍应用的工业合成氨的方法是哈伯于 1905 年发明的，但此法反应物的转化率不高。 2001 年两位希腊化学家提出了电解合

26、成氨的方法，即在常压下把氢气和用氦气稀释的氮气， 分别通入一个加热到 570 的电解池中，氢气和氮气在电极上合成了氨，反应物转化率大 大提高。请回答： (1)哈伯合成氨的化学方程式为_ ；在电解法合成氨的电 解池中_(填“能”或“ 不能 ”)用水作电解质溶液的溶剂，原因是_ 。 (2)新法合成氨电解池中的电解质能导出 H+，请写出阴极反应式_。 (3)氨是一种重要的化工原料，在一定条件下氨可与其他物质反应生成化肥尿素 CO(NH 2)2 。已知 3.011022 个尿素分子在高温、高压下分解生成 0.85 g NH3、0.56 L CO2(标准状况下)和一定数量的三聚氰胺分子。三聚氰胺的相对分

27、子质量为 126，则三聚氰 胺的分子式为_，尿素分解的化学反应方程式为 。已知三个 A 分子可反应得到一分子三聚氰胺，请写出 A 的结构式 _。 3.(1)N2+3H2 2NH3 不能 新法合成氨电解池的反应温度是 570 时，水为水蒸气，在电解条件下，水会参与电解反 应而影响合成氨反应 (2) N2+6e-+6H+ =2NH3 (3)C3H6N6 6CO(NH2)2 6NH3+3CO2+C3H6N6 【解析】哈伯合成氨的方法是：N 2+3H2 2NH3 (1)电解池的工作温度是 570 ，此时水为气态，并且水会参与电极反应而影响合成氨反应。 (2)电解质能传导 H+，所以 N2 在阴极得电子后与 H+结合成 NH3，阴极反应式为 N2+6H+6e- =2NH3。(3)0.05 mol 尿素分解生成 0.05 mol NH3、0.025 mol CO2，根据质量守 恒得，三聚氰胺的最简式为 CH2N2，结合三聚氰胺的相对分子质量可得其分子式为 C3H6N6。所以尿素分解的化学方程式为 6CO(NH2)2 6NH3+3CO2+C3H6N6。A 的分子式 为 CH2N2，其结构式为 。