合成氨为什么要用高压？
工业合成氨要在 10～30 MPa 的高压、400～500 °C 下进行，还要不断把生成的氨分离出去。高压设备昂贵，为什么还要用高压？温度高一些反应更快，为什么又不用更高的温度？回答这些问题，要看条件改变时化学平衡怎样移动。
勒夏特列原理
化学平衡是在一定条件下建立的。条件改变，原来的平衡被破坏，在新的条件下建立新的平衡，这叫化学平衡的移动equilibrium shift。
1888 年，勒夏特列总结出一条规律：如果改变影响平衡的一个因素（如参加反应的物质的浓度、压强或温度），平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动。这就是勒夏特列原理Le Châtelier’s principle。
浓度
增大反应物的浓度或减小生成物的浓度，Q 变小，Q < K，平衡向正反应方向移动；反之向逆反应方向移动。例如：
在 FeCl₃ 和 KSCN 的混合溶液中，再加入少量 FeCl₃ 或 KSCN，溶液的红色加深；加入铁粉（把 Fe³⁺ 还原为 Fe²⁺），红色变浅。
压强
对于有气体参加、反应前后气体分子数不同的反应，压缩体积（增大压强），平衡向气体分子数减少的方向移动；扩大体积（减小压强），平衡向气体分子数增多的方向移动。反应前后气体分子数相等时（如 H₂ + I₂ ⇌ 2HI），改变压强，平衡不移动。
压缩体积时，所有气体的浓度都按同一比例增大。因为分子和分母的幂次之和不同，Q 发生变化，平衡才会移动。
温度
升高温度，平衡向吸热反应的方向移动；降低温度，平衡向放热反应的方向移动。和浓度、压强不同，温度改变的是 K 本身：对于正反应吸热的反应，升温使 K 增大；正反应放热的反应，升温使 K 减小。例如：
把装有 NO₂ 和 N₂O₄ 的烧瓶放进热水，红棕色加深（平衡向吸热的逆反应方向移动，NO₂ 增多）；放进冰水，颜色变浅。
催化剂和惰性气体
- 催化剂同等程度地加快正、逆反应，能缩短达到平衡的时间，但平衡不移动，K 不变。
- 容积不变时充入不参加反应的气体（如氦气），总压增大，但各物质的浓度都不变，Q 仍等于 K，平衡不移动。
选一个已达平衡的反应，施加一种改变，比较原平衡、刚改变时和新平衡的浓度。N₂O₄ ⇌ 2NO₂ 还能看到颜色的变化：
和美国教材的不同
- 美国教材常说平衡“向右移”（shifts right，向生成物）或“向左移”（shifts left）；人教版说“向正反应方向移动”“向逆反应方向移动”。
- AP 更看重用 Q 与 K 的比较来解释平衡移动，而不只是说“系统要减弱这种改变”。改变温度时，AP 要求指出 K 改变了。
- 美国教材的经典实验也用 NO₂/N₂O₄ 的颜色和 Fe³⁺/SCN⁻ 的颜色，还常用 CoCl₄²⁻（蓝色）和 Co(H₂O)₆²⁺（粉红色）演示温度的影响。人教版还用 K₂Cr₂O₇ 溶液（Cr₂O₇²⁻ 橙色，CrO₄²⁻ 黄色）演示 H⁺ 浓度的影响。
例题 1：压缩 NO₂ 和 N₂O₄ 的混合气体
用注射器吸入一定量 NO₂ 和 N₂O₄ 的平衡混合气体，然后迅速把活塞推到原来体积的一半处。从侧面观察，气体的颜色怎样变化？为什么？
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颜色由什么决定。 NO₂ 是红棕色的，N₂O₄ 无色，颜色深浅看 c(NO₂)。
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刚压缩时。 体积减半，所有气体的浓度立即加倍，c(NO₂) 加倍，颜色马上变深。
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用 Q 判断移动方向。 对 2NO₂ ⇌ N₂O₄，Q = c(N₂O₄)/c²(NO₂)。各浓度都加倍后：
Q < K，平衡向正反应方向（气体分子数减少的方向）移动，NO₂ 减少，颜色又逐渐变浅。
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最后。 平衡移动只能“减弱”这种改变，不能完全抵消。新平衡时 NO₂ 的浓度仍比压缩前大，颜色比原来深。
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用数字看一看。 25 °C 时从 c(NO₂) = 0.0143 mol/L 的平衡出发（2.11.4 节的表），压缩后变为 0.0287 mol/L，新平衡时约为 0.0209 mol/L：比刚压缩时小，但仍比原来大。
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常见错误。 以为“平衡正向移动，所以最后颜色比原来浅”。移动只是让刚刚变大的 c(NO₂) 回落一部分。
例题 2：合成氨的条件
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)，ΔH = −92.2 kJ/mol。从平衡移动的角度，怎样提高 NH₃ 的产率？实际生产为什么要用 400～500 °C 和催化剂？
- 两个说法。 NH₃ 的产率是实际得到的 NH₃ 占理论产量的百分数（2.6.7 节）；N₂ 的平衡转化率是平衡时已反应的 N₂ 占起始 N₂ 的百分数（2.11.4 节）。平衡向正反应方向移动，两者都提高。
- 压强。 正反应使气体分子数减少（4 → 2），增大压强，平衡向正反应方向移动，NH₃ 增多。
- 温度。 正反应放热，降低温度有利于生成 NH₃。但温度太低，反应太慢。
- 浓度。 及时把 NH₃ 液化分离出去，减小生成物的浓度，平衡继续向正反应方向移动；循环利用剩下的 N₂ 和 H₂。
- 折中。 实际采用 400～500 °C：兼顾反应速率和平衡转化率，这也是铁催化剂活性最好的温度。
- 催化剂。 催化剂同等程度地加快正、逆反应，不能使平衡移动，所以不能提高平衡产率，但能大大缩短达到平衡的时间。
- 常见错误。 认为“温度越高越好”或“催化剂能提高转化率”。升温能加快反应，但对这个放热反应，平衡向逆反应方向移动。
- 合成氨：增大 N₂ 的浓度
增大反应物浓度，Q < K。
- 合成氨：把生成的 NH₃ 分离出去
减小生成物浓度，Q < K。
- 合成氨：升高温度
正反应放热，升温向吸热的逆反应方向移动，K 减小。
- 合成氨：压缩容器的体积
向气体分子数减少的方向移动。
- 合成氨：加入催化剂
催化剂同等程度地加快正、逆反应，平衡不移动。
- 合成氨：容积不变时充入氦气
各物质的浓度不变，Q = K。
- H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)：压缩容器的体积
反应前后气体分子数相等，改变压强平衡不移动。
- FeCl₃ 和 KSCN 的混合溶液中加入少量 KSCN 固体
增大 SCN⁻ 的浓度，红色加深。
- 2NO₂ ⇌ N₂O₄（ΔH < 0）：把烧瓶放进热水
升温向吸热方向（逆反应）移动，NO₂ 增多，颜色加深。
常见误区
误区 1：“平衡移动会把改变完全抵消。” 只能减弱，不能抵消。压缩 NO₂ 后，颜色先变深再变浅，但最后仍比原来深。
误区 2：“加入催化剂，平衡向正反应方向移动，产率提高。” 催化剂同等程度地加快正、逆反应，平衡不移动，产率不变，只是更快达到平衡。
误区 3：“升高温度，正反应速率增大，逆反应速率减小。” 升温时正、逆反应速率都增大，只是吸热方向的速率增大得更多，所以平衡向吸热方向移动。
即时小测
2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)，ΔH < 0。下列措施能使平衡时 SO₃ 增多的是？
正反应气体分子数减少（3 → 2），增大压强平衡正向移动。升温使平衡逆向移动；催化剂和恒容充入氦气都不能使平衡移动。
在 Fe³⁺ + 3SCN⁻ ⇌ Fe(SCN)₃ 的红色溶液中加入少量铁粉，溶液的颜色会？
铁粉把 Fe³⁺ 还原为 Fe²⁺，c(Fe³⁺) 减小，平衡向逆反应方向移动，Fe(SCN)₃ 减少，红色变浅。
小结
- 勒夏特列原理：改变影响平衡的一个条件，平衡向减弱这种改变的方向移动，但不能完全抵消。
- 浓度、压强改变的是 Q：Q < K 正向移动，Q > K 逆向移动；气体分子数相等的反应，压强不影响平衡。温度改变的是 K：升温向吸热方向移动。
- 催化剂、恒容时充入惰性气体，平衡都不移动。
通往 AP（以后再看）
AP 7.9 要求用勒夏特列原理预测平衡移动的方向，7.10 要求用 Q 与 K 的比较来解释：浓度、体积的改变使 Q 偏离 K，温度的改变使 K 本身改变。答题时说清楚“改变了 Q 还是 K、Q 和 K 哪个大、平衡向哪边移动”，才能拿满分。
数据来源：本节反应的 ΔH 由本站的生成焓表（2.10.6 节）算出。