文档内容
化学反应的调控——工业合成氨
重难点 题型 分值
1. 掌握工业合成氨的原理及其反应特点；
重点 2. 掌握合成氨反应的条件选择；
3. 掌握有关合成氨反应的解题规律。
选择与填空 3-5分
1. 合成氨的适宜条件；
难点
2. 有关合成氨反应的图像题解题规律。
一、合成氨反应
1. 反应原理
第1页N（g）+3H （g） 2NH （g） ΔH=-92. 4 kJ/mol
2 2 3
2. 反应特点
（1）合成氨反应是可逆反应。
（2）由化学方程式中的化学计量数关系可知，正反应是气体分子数减小的反应。
（3）根据ΔH=-92. 4kJ·mol-1可知，正反应是放热反应。
3. 合成氨反应条件选择
（1）原理分析
根据合成氨反应的特点，为增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，可
采取的措施：
影响因素
对合成氨反应的影响
浓度 温度 压强 催化剂
增大合成氨的反应速率 增大反应物浓度 高温 高压 使用铁触媒
正大反应物浓度，
提高平衡混合物中氨的含量 低温 高压 无影响
减小生成物浓度
（2）结论分析
升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都可以使合成氨的反应速率
增大；降低温度、增大压强、增大反应物浓度等有利于提高平衡混合物中氨的含量。催化
剂可以增大反应速率，但不能使平衡发生移动，故不改变平衡混合物的组成。
二、工业合成氨反应条件的控制
1. 合成氨反应条件的选择
工业生产中，必须从反应速率和反应限度两个角度来选择合成氨的适宜条件，既要考
虑尽量提高反应物的转化率，充分利用原料，又要使反应速率较快，提高单位时间内的产
量，同时还要考虑设备和技术条件。
【求甚解】工业生产中提高综合经济效益的分析
（1）理论探讨
①提高单位时间内氨的产量（从化学反应速率角度考虑）。
②提高平衡混合物中氨的含量（从化学平衡的移动角度考虑）。
（2）实际论证
从生产成本、动力、材料、设备等方面对上述理论探讨进一步论证，以得出合理的结
论。
2. 合成氨的适宜条件
（1）压强
①合成氨反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强，既可以增大反应速率，
第2页又能使平衡正向移动，提高产率，所以理论上压强越大越好。
②压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，压缩H 和N
2 2
所需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能会降低综合经济效益。
综合考虑，实际生产中压强一般为20~50MPa。
（2）温度
①因为合成氨反应是放热反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。
②温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，这在工业生产中是很不经
济的，因此温度不宜太低。
③催化剂在一定温度下催化活性达到最大。
综合考虑，实际生产中温度一般为400-500℃（主要考虑催化剂的活性）
（3）催化剂
即使在高温、高压下，合成氨反应仍然进行得十分缓慢。使用催化剂能改变反应历程，
降低反应活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应普遍使用的是以铁为主体的多
成分催化剂，又称铁触媒。
铁触媒在500℃左右时活性最大。
（4）浓度
即使是在500℃和30MPa下，合成氨反应达到平衡时，混合物中NH 的体积分数也只
3
有26. 4%。在实际生产中，还需要考虑浓度对化学平衡的影响，例如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，使平衡向生成NH 的方向移动，以及
3
将分离NH 后的原料气循环使用，并及时补充N 和H，使反应物保持一定的浓度，以利
3 2 2
于合成氨反应的进行。
（5）合成氨工业流程
三、有关合成氨反应的解题规律
第3页1. 体积差法
N（g）+3H （g） 2NH （g） ΔV
2 2 3
1 3 2 2
由化学方程式可知：反应后气体减小的体积等于生成氨气的体积。例如，同温同压下，
V LN 和H 的混合气体充分反应后，气体体积变为VL，则生成NH 的体积为（V-V ）L。
1 2 2 2 3 1 2
2. 图像分析
（1）N（g）+3H （g） 2NH （g） ΔH＜0，平衡混合物中氨的含量与温度、压
2 2 3
强关系（如图所示）：
结论：压强越大，氨的含量越高；温度越高，氨的含量越低。
（2）速率—时间图像分析
如图是合成氨反应N（g）+3H （g） 2NH （g） ΔH＜0的速率随时间变化的曲
2 2 3
线图。
图像分析：
①t 时，v 、v 均不为零，说明反应从两个方向同时开始，由于v ＞v ，所以反应
0 正 逆 正 逆
向正反应方向进行；
②t 时，增大反应物浓度，平衡向正反应方向移动；
1
③t 时，减小生成物浓度，平衡向正反应方向移动；
2
④t 时，增大压强，平衡向正反应方向移动；
3
第4页⑤t 时，减小压强，平衡向逆反应方向移动；
4
⑥t 时，升高温度，平衡向逆反应方向移动；
5
⑦t 时，降低温度，平衡向正反应方向移动；
6
⑧t 时，增大N、H 的浓度，减小NH 的浓度，平衡向正反应方向移动；
7 2 2 3
⑨t8时，加入催化剂，平衡不移动。
【解题技巧】
①v >v ，平衡正向移动；v =v ，平衡不移动；v ＜v ，平衡逆向移动。
正 逆 正 逆 正 逆
②只改变一种物质浓度时，有一条线连接原曲线。
③改变温度，曲线不再连续。
④改变压强，若反应前后气体的物质的量不相等，则
v 、v 发生变化，曲线不再连续；若反应前后气体的物质的量相等，则v =v ，曲
正 逆 正 逆
线也不再连续。
例题1 对于可逆反应：N （g）+3H （g） 2NH （g）（正方向为放热反应），
2 2 3
下列说法正确的是（ ）
A. 达到平衡后，加入N ，当重新达到平衡时，NH 的浓度比原平衡的大，N 的浓度
2 3 2
比原平衡的小
B. 达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH 的产率
3
C. 达到平衡后，缩小容器容积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的
转化率
D. 加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，逆反应速率减小
【答案】C
【解析】达到平衡后，加入N 平衡正向移动，达到新平衡后，NH 的浓度增大，而N
2 3 2
的浓度也比原平衡的大，A错误；达到平横后，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平
衡不移动，不利于NH 的生成，B错误，达到平衡后，缩小容器容积即增大压强，正、逆
3
反应速率都增大，平能正向移动，有利于提高H 的转化率，C正确；加入催化剂，能同等
2
程度地增大正、逆反应速率，缩短反应达到平衡的时间，D错误。
【点拨】本题易错选A项，达到平衡后再加入N ，平衡正向移动，削弱c（N ）的增
2 2
大，但平衡移动不能抵消这种改变，重新达到平衡时N 的浓度仍然增大。
2
第5页例题2 下列关于工业合成氨的叙述中，错误的是（ ）
A. 在动力、设备、材料允许的情况下，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N、H 的循环利用可提高其利用率，降低成本
2 2
D. 及时从反应体系中分离出氦气有利于平衡向正反应方向移动
【答案】B
【解析】合成氢反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NH 的产率降低，且温
3
度太高会影响催化剂的催化效果，B错误。
【点拨】化工生产中主要关注的是生产效益，因此加快化学反应速率，同时有更多的
产出是研究的核心，因此既要考虑化学反应速率、化学平衡（转化率），又要兼顾改变条
件导致的成本变化，最终综合考虑进行判断。
例题3 合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。
（1）下列有关合成氨工业的叙述，不能用平衡移动原理来解释的是______（填序号）。
A. 使用铁催化剂有利于合成氨的反应
B. 高压比常压更有利于合成氮的反应
C. 500℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D. 使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应
（2）已知工业合成氨的反应为N（g）+3H （g） 2NH （g）ΔH=-92. 4kJ·mol-1。
2 2 3
一定温度下，在容积恒定的密闭容器中，一定量的N 和H 反应达到平衡后，改变某
2 2
一外界条件，反应速率与时间的关系如图所示，其中t 、t 、t 时刻所对应的实验条件改变
2 4 7
分别是t：__________t： __________ t ：__________。
2 4 7
【答案】（1）AC （2）增大N 或H 的浓度 加入催化剂 降温
2 2
【解析】（1）使用铁催化剂，能同等程度地加快正、逆反应的速率，可以缩短达到平
衡所需的时间，但不影响平衡，故A项不能用平衡移动原理解释。因为合成氨的反应是气
体分子数减小的反应，所以增大压强可以使平衡向着生成氨的方向移动，故 B项可以用平
第6页衡移动原理解释。合成氨反应是放热反应，低温虽然可以提高氨的产率，但是反应速率太
慢，而高温虽能加快反应速率，却使平衡混合物中氨的含量降低，因此工业生产一般采用
适宜的温度，既能加快反应速率，又能生成较多氨，500℃左右铁催化剂的活性最高，故C
项不能用平衡移动原理解释。将生成物氨液化分离，减小了生成物的浓度，使平衡向生成
氨的方向移动，有利于氢的合成，故D项可以用平衡移动原理解释。
（2）t 时刻正反应速率增大，逆反应速率未变化，v正>v逆，平街正向移动，应是增
2
大了反应物的浓度；t 时刻正、逆反应速率同等程度增大，平衡未发生移动，应是加入了
4
催化剂；t 时刻正、逆反应速率都减小，平衡正向移动，应是降低了温度。
7
【方法总结】对于反应前后气体分子数不变的反应，加入催化剂或者增大压强，正、
逆反应速率均增大，但平衡不发生移动；对反应前后气体分子数改变的反应，若正、逆反
应速率均增大，且平衡未发生移动，只能是加入催化剂所致。
（答题时间：40分钟）
一、选择题
1. 某工业生产中发生反应：2A（g）＋B（g） 2M（g） ΔH<0。下列有关该工业生
产的说法正确的是（ ）
A. 工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成
B. 若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率
C. 工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高
D. 工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
2. 对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是（ ）
A. 升高温度，对正反应的反应速率影响更大
B. 增大压强，对正反应的反应速率影响更大
C. 减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大
D. 加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大
*3. 对于合成氨反应N （g）＋3H （g） 2NH （g） ΔH＜0，下列研究结果和图示
2 2 3
相符的是（ ）
A B C D
研
究 压强对反应的影 温度对反应的 平衡体系增加 N 催化剂对反应的
2
结 响 影响 对反应的影响 影响
果
第7页图
示
4. 工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是（ ）
①适当提高氨的合成速率 ②提高H 的转化率
2
③提高氨的产率 ④催化剂在700 K时活性最大
A. 只有① B. ①②
C. ②③④ D. ①④
5. 利用原料气在合成塔中合成NH ，为提高N 的转化率所采取的措施是（ ）
3 2
A. 高温 B. 高压
C. 使用催化剂 D. 增大N 的浓度
2
6. 能够使合成氨反应进行的程度增大的措施是（ ）
A. 升高温度 B. 降低压强
C. 使用催化剂 D. 不断移去NH
3
7. 有关合成氨工业的说法中，正确的是（ ）
A. 增大H 的浓度，可提高H 的转化率
2 2
B. 由于氨易液化，N、H 在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高
2 2
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. 合成氨厂采用的压强是2×107～5×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大
8. 有平衡体系：CO（g）＋2H （g） CHOH（g） ΔH<0，为了增加甲醇
2 3
（CHOH）的产量，应采取的正确措施是（ ）
3
A. 高温，高压 B. 适宜温度，高压，催化剂
C. 低温，低压 D. 高温，高压，催化剂
*9. 硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反
应2SO ＋O 2SO 的说法中正确的是（ ）
2 2 3
A. 只要选择适宜的条件，SO 和O 就能全部转化为SO
2 2 3
B. 该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零
C. 在达到平衡的体系中，充入由18O原子组成的O 后，SO 中18O含量减少，SO 中
2 2 3
18O含量增多
D. 在工业合成SO 时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题
3
10. NH 是一种重要的工业原料。下列关于合成氨的说法中，不正确的是 （ ）
3
A. 工艺涉及催化技术
第8页B. 工艺涉及高温高压技术
C. 原料之一的氮气来自空气
D. 从合成塔出来的气体中，氨的体积分数为100%
11. 在一定条件下，可逆反应：N （g）＋3H （g） 2NH （g）（正反应是放热反
2 2 3
应）达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（ ）
A. 加催化剂，v（正）、v（逆）都发生变化且变化的倍数相等
B. 加压，v（正）、v（逆）都增大，且v（正）增大的倍数大于v（逆）增大的倍数
C. 降温，v（正）、v（逆）都减小，且v（正）减小的倍数小于v（逆）减小的倍数
D. 等容条件下加入氩气，v（正）、v（逆）都增大，且v（正）增大的倍数大于 v
（逆）增大的倍数
*12. 在反应N （g）＋3H （g） 2NH （g） ΔH＜0的平衡体系中，当恒温恒压条
2 2 3
件下t 时刻分离出NH 时，下列说法正确的是（ ）
1 3
A. t 时刻后的速率变化如图所示
1
B. t 时刻后达到新平衡前Q＞K
1
C. 新平衡体系中NH 的含量增大
3
D. N 的平衡转化率增大
2
二、非选择题
13. 合成氨工业中，原料气（N 、H 及少量CO、NH 的混合气）在进入合成塔前常用醋
2 2 3
酸二氨合铜（Ⅰ）溶液来吸收原料气中的CO，其反应是[Cu（NH ） ]Ac＋CO＋NH
3 2 3
[Cu（NH ）]Ac·CO ΔH＜0
3 3
（1）必须除去原料气中CO的原因是
___________________________________________________________
___________________________________________________________。
（2）醋酸二氨合铜（Ⅰ）吸收CO的生产适宜条件应是
___________________________________________________________
___________________________________________________________。
（3）吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收 CO的能力以供
循环使用。醋酸铜氨溶液再生的生产适宜条件应是________。
*14. 合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。
第9页（1）X的化学式为________。
（2）图中条件选定的主要原因是________（填字母编号）。
A. 温度、压强对化学平衡的影响
B. 铁触媒在该温度时活性大
C. 工业生产受动力、材料、设备等条件的限制
（3）改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变
化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是________，当横坐标为温度时，变化趋势
正确的是______（填字母编号）。
第10页1.【答案】D
【解析】工业上合成M可能采用常压，如HSO 工业中SO 的生成；加入过量B只能
2 4 3
提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使
用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。
2.【答案】B
【解析】对于合成氨反应，增大压强，平衡向气体系数减小的方向移动，即v ＞v ，
正 逆
故B项正确。
3.【答案】C
【解析】A项由于p 条件先达到平衡，故p ＞p ，由p→p ，减小压强，化学平衡左
1 1 2 1 2
移，NH 的体积分数应降低，故错误；B项由于此反应ΔH＜0，故升温平衡左移，N 的转
3 2
化率降低，故错误；C项增大N 的量，会使正反应速率增大，使化学平衡右移，故正确；
2
D项使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，故错误。
4.【答案】D
【解析】合成氨反应采用700 K左右的温度的原因是考虑反应速率和催化剂的活性。
5.【答案】B
【解析】合成氨反应是气体系数减小的放热反应，据勒·夏特列原理可知高压利于提高
N 的转化率。
2
6.【答案】D
【解析】降温、增压，不断减小生成物的浓度均利于合成氨反应的正向进行。
7.【答案】B
【解析】A项，增大H 的浓度，H 的转化率减小；C项，温度控制在500 ℃的目的是
2 2
催化剂活性最大；D项，压强采用2×107～5×107Pa是考虑对设备材料的要求。
8.【答案】B
【解析】该反应是一个正向放热，气体体积减小的反应，为增加甲醇的产量，需平衡
正向移动，理论上可采用低温、高压的方式，但在实际生产中还需考虑反应速率。
9.【答案】D
【解析】反应为可逆反应，SO 和O 不能全部转化为SO ，A错；达到平衡后反应不
2 2 3
停止，正、逆反应速率相等，B错；达到平衡后充入由18O原子组成的O ，平衡向正方向
2
移动，SO 中18O含量增多，因为反应可逆，SO 中18O含量也增多，C错；D正确。
3 2
10.【答案】D
【解析】合成氨反应为可逆反应，N 和H 的转化率小于100%，则从合成塔出来的气
2 2
体中，氨气的体积分数小于100%。
第11页11.【答案】D
【解析】等容条件下加入氩气，反应物和生成物浓度均不变，则 v（正）、v（逆）均
不发生变化，且v（正）＝v（逆）。
12.【答案】D
【解析】分离出NH ，使体系中NH 的含量减小，则达到新平衡前Q＜K，v ＞v ，
3 3 正 逆
平衡向正反应方向移动，故N 的平衡转化率增大。
2
13.【答案】（1）防止合成塔中的催化剂中毒 （2）低温、高压 （3）高温、低压
【解析】分析吸收CO反应的特点：正反应是气体体积缩小的放热反应，对于这样一
个可逆反应，用化学平衡原理及有关合成氨适宜条件的选择知识即可作答。
14.【答案】（1）NH （2）BC （3）c a
3
【解析】（1）原料气N 和H 经一定条件下的反应，生成的NH （X）冷却后从设备
2 2 3
中分离出来，同时尾气中含有的N（Y）和H（Y）进行循环利用。（2）中A温度选择在
2 2
500 ℃并不是从化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在此温度时活性大，而且还可以
适当提高化学反应速率，压强选择20 MPa～50 MPa是从化学平衡理论分析的压强越大，
平衡向生成NH 的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资
3
大，这样就不经济。（3）中考查压强、温度对化学平衡的影响。
第12页
