高中化學(xué) 第2章 化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率 2.4 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨課件9 魯科版選修4.ppt

第二章第4節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化 工業(yè)合成氨 合成氨工廠一角 n2 g 3h2 g 2nh3 g 弗里茨 哈伯 用空氣制造面包的天使 自1784年發(fā)現(xiàn)氨以后 人們一直在研究如何利用化學(xué)方法由氮?dú)夂蜌錃夂铣砂?德國化學(xué)家哈伯帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)也從1902年開始研究氨的直接合成 但直到1913年才實(shí)現(xiàn)了氨的工業(yè)生產(chǎn) 弗里茨 哈伯與合成氨 合成氨從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了約150年的時(shí)間 德國科學(xué)家哈伯在10年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了無數(shù)次的探索 單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑 2年間他們就進(jìn)行了多達(dá)6500次試驗(yàn) 測(cè)試了2500種不同的配方 最后選定了一種合適的催化劑 鐵 使合成氨的設(shè)想在1913年成為工業(yè)現(xiàn)實(shí) 鑒于合成氨工業(yè)的實(shí)現(xiàn) 瑞典皇家科學(xué)院于1918年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 我們一起來探究和合成氨的條件的選擇 回顧 氨氣的實(shí)驗(yàn)室制法 課本p79頁 1 實(shí)驗(yàn)室制備 1 原理 2 裝置 3 收集 4 干燥 2nh4cl ca oh 2 cacl2 2nh3 2h2o 固 固加熱型 與制o2相同 向下排空氣法 堿石灰 交流 研討1 合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng) n2 g 3h2 g 2nh3 g 已知298k時(shí) h 92 2kj mol 1 s 198 2j k 1 mol 1請(qǐng)根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析298k下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行 298k下合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)k為 mol l 1 2 化學(xué)反應(yīng)方向 交流 研討2 請(qǐng)利用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)分析什么條件有利于氨的合成 化學(xué)平衡角度 數(shù)據(jù)一壓強(qiáng)對(duì)氨氣百分?jǐn)?shù)的影響 數(shù)據(jù)二n2h2體積比對(duì)產(chǎn)率的影響 溫度 壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng) n2 h2體積比為 時(shí)平衡混合物中氨的含量最高 增大 降低 1 3 小結(jié)1 交流 研討3 1 你認(rèn)為可以通過控制那些反應(yīng)條件來提高合成氨反應(yīng)的速率 2 實(shí)驗(yàn)研究表明 在特定條件下 合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為 c n2 c1 5 h2 c 1 nh3 請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)關(guān)系式分析 各物質(zhì)的濃度對(duì)反應(yīng)速率有哪些影響 可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率 化學(xué)反應(yīng)速率角度 3 請(qǐng)你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響 催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響 1 升高溫度2 增大壓強(qiáng)3 增大反應(yīng)物濃度4 使用催化劑 5 增大n2h2濃度 將氨及時(shí)從混合氣中分離出去 使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍 小結(jié)2 合成氨的適宜條件的選擇 生成物氨的濃度 反應(yīng)物的濃度 催化劑 溫度 壓強(qiáng) 速率分析 使nh3生產(chǎn)得快 外界條件 高壓 高溫 使用 增大濃度 減小濃度 平衡分析 使nh3生產(chǎn)得多 高壓 低溫 無影響 增大濃度 減小濃度 1 既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率 又可提高氨的產(chǎn)量 那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好 壓強(qiáng)怎么定 2 既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng) 那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好 3 催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒有影響 在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑 為什么 溫度怎么選擇 要不要用催化劑 交流 研討4 工業(yè)流程角度 1 壓強(qiáng)怎么選 分析 合成氨反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應(yīng) 增大壓強(qiáng)既可以增大反應(yīng)速率 又能使平衡正向移動(dòng) 所以理論上壓強(qiáng)越大越好 但是壓強(qiáng)越大 對(duì)設(shè)備的要求高 壓縮h2和n2所需要的動(dòng)力大 因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù) 綜合以上兩點(diǎn) 根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng) 實(shí)際生產(chǎn)中壓強(qiáng)一般選擇在200 500大氣壓之間 2 溫度怎么選擇 分析 因?yàn)檎磻?yīng)方向是放熱的反應(yīng) 所以降低溫度有利于平衡正向移動(dòng) 可是溫度越低 反應(yīng)速率越小 達(dá)到平衡所需要的時(shí)間越長(zhǎng) 因此溫度也不宜太低 催化劑要在一定溫度下催化活性最大 綜合以上因素 實(shí)際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700k左右 主要考慮催化劑的活性 3 用不用催化劑 實(shí)際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑 鐵觸媒 它在700k時(shí)活性最高 分析 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快 原料的利用率要高 單位時(shí)間的產(chǎn)量要高 4 濃度怎么定 n2和h2的比例怎么定 增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率 減小生成物的濃度可以使平衡正向移動(dòng) 從化學(xué)平衡的角度分析 在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1 3時(shí) 平衡轉(zhuǎn)化率最大 但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高n2的濃度 即n2和h2的物質(zhì)的量比為1 2 8時(shí) 更能促進(jìn)氨的合成 實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法 及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去 及時(shí)將氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)利用 使其保持一定的濃度 即n2和h2的物質(zhì)的量比為1 2 8 根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng) 適宜溫度700k左右 使用鐵觸媒作催化劑 n2和h2的物質(zhì)的量比為1 2 8的投料比 氨及時(shí)從混合氣中分離出去 小結(jié)3 小結(jié)4 工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品 一般要使用催化劑 這樣可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率 提高生產(chǎn)效率 也提高了經(jīng)濟(jì)效益 選擇合適的溫度 該溫度是催化劑活性最大的溫度 選擇合適的壓強(qiáng) 既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡 還要考慮動(dòng)力 材料 設(shè)備等 小結(jié) 反思 二 合成氨工業(yè)簡(jiǎn)述 1 主要流程 2 原料氣制取 制氮?dú)?造氣 凈化 合成氨 制氫氣 ch4 g h2o g co g 3h2 g co g h2o g co2 g h2 g h2o 氣 合成氨工廠一角 合成氨工廠一角 我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況 我國合成氨工業(yè)開始于20世紀(jì)30年代 1949年新中國成立時(shí)合成氨廠只有3家 年生產(chǎn)能力不到0 6萬噸 經(jīng)過幾十年的努力 我國已經(jīng)擁有多種原料 不同流程的大 中 小合成氨廠1000多家 到2000年 合成氨年產(chǎn)量達(dá)到3363 7萬噸 從生產(chǎn)能力和產(chǎn)量上都位居世界前列 為了提高合成氨生產(chǎn)的能力 還可以在哪些方面做進(jìn)一步改進(jìn) 抗毒能力強(qiáng)的新型催化劑 仿生固氮酶催化劑 能力提高 反饋練習(xí) d 1 工業(yè)合成氨反應(yīng)是700k左右進(jìn)行的 這主要原因是 700k時(shí)氨的平衡濃度最大700k時(shí)此反應(yīng)速率最