202X年高中化學(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8魯科版選修4

1、學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解如何應(yīng)用化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡原理，選擇適宜氨的適宜條件；初步認(rèn)識(shí)合成氨的化學(xué)原理；了解合成氨的主要流程。2.研究應(yīng)用化學(xué)原理選擇工業(yè)生產(chǎn)條件的思想和方法。復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)影響化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡影響化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些的重要因素有哪些? 化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)反應(yīng)速率 化學(xué)平衡化學(xué)平衡 溫度溫度氣體壓強(qiáng)氣體壓強(qiáng)催化劑催化劑濃度濃度溫度越高溫度越高,反響速反響速率越大率越大壓強(qiáng)越大壓強(qiáng)越大,反響速反響速率越大率越大正催化劑加快反響正催化劑加快反響速率速率反響物濃度越大反響物濃度越大,反反響速率越大響速率越大升高溫度升高溫度,平衡向吸平衡向吸熱方向移動(dòng)熱方向移動(dòng)增大

2、壓強(qiáng)增大壓強(qiáng),平衡向氣態(tài)物平衡向氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的方向移動(dòng)質(zhì)系數(shù)減小的方向移動(dòng)催化劑對(duì)平衡無(wú)影響催化劑對(duì)平衡無(wú)影響增大反響物濃度增大反響物濃度,平平衡正向移動(dòng)衡正向移動(dòng) 弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：將空氣變?yōu)槊姘鼘⒖諝庾優(yōu)槊姘ダ锎母ダ锎墓c合成氨哈伯與合成氨 合成氨從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)合成氨從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了約經(jīng)歷了約150150年的時(shí)間。德國(guó)科學(xué)家哈伯在年的時(shí)間。德國(guó)科學(xué)家哈伯在10 10年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)展了無(wú)數(shù)次的探索，單是尋找年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)展了無(wú)數(shù)次的探索，單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑，高效穩(wěn)定的催化劑，2 2年間他們就進(jìn)展了多達(dá)年間他們就進(jìn)展了多達(dá)65006500次試

3、驗(yàn)，測(cè)試了次試驗(yàn)，測(cè)試了25002500種不同的配方，最后種不同的配方，最后選定了一種適宜的催化劑選定了一種適宜的催化劑-鐵，使合成氨的鐵，使合成氨的設(shè)想在設(shè)想在19131913年成為工業(yè)現(xiàn)實(shí)。鑒于合成氨工業(yè)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)院于的實(shí)現(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院于19181918年向哈伯頒發(fā)年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：將空氣變?yōu)槊姘鼘⒖諝庾優(yōu)槊姘灰?反響的自發(fā)性反響的自發(fā)性合成氨反響是一個(gè)可逆反響合成氨反響是一個(gè)可逆反響: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)298K時(shí)時(shí): H= -92.2KJmol-1 S = -198.

4、2JK-1mol-1請(qǐng)根據(jù)正反響的焓變和熵變分析請(qǐng)根據(jù)正反響的焓變和熵變分析:298K下合成氨反響能否自發(fā)進(jìn)展？下合成氨反響能否自發(fā)進(jìn)展？合成氨反響有哪些特點(diǎn)？合成氨反響有哪些特點(diǎn)？請(qǐng)利用請(qǐng)利用化學(xué)平衡移動(dòng)化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)分析什么的知識(shí)分析什么條件有利于氨的合成？條件有利于氨的合成？N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H (1體積體積) (3體積體積) (2體積體積)思考？思考？1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2、H2體積比對(duì)產(chǎn)率的影響體積比對(duì)產(chǎn)率的影響NH3%1、你認(rèn)為可以通過(guò)控制哪些反響條件、你認(rèn)為可以通過(guò)控制

5、哪些反響條件來(lái)提高合成氨反響的速率？來(lái)提高合成氨反響的速率？ 升高溫度升高溫度 增大壓強(qiáng)增大壓強(qiáng) 增大反響物濃度增大反響物濃度 使用催化劑使用催化劑二二 化學(xué)反響速率化學(xué)反響速率2、實(shí)驗(yàn)研究說(shuō)明，在特定條件下，、實(shí)驗(yàn)研究說(shuō)明，在特定條件下，合成氨反響的速率與反響的物質(zhì)的濃合成氨反響的速率與反響的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為度的關(guān)系為: =C(N2)C(H2)C-1(NH3)請(qǐng)你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃請(qǐng)你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃度對(duì)反響速率有哪些影響？可以采度對(duì)反響速率有哪些影響？可以采取哪些措施來(lái)提高反響速率？取哪些措施來(lái)提高反響速率？ 增大增大N2H2濃度濃度,將氨及時(shí)將氨及時(shí)從從 混合氣中別離

6、出去混合氣中別離出去催化劑對(duì)合成氨反響速率的影響條件條件 E /KJ/molk(催催)/k(無(wú)無(wú))無(wú)催化劑無(wú)催化劑3353.41012(700k)使用使用Fe催化劑催化劑167 使用催化劑可使合成氨反響使用催化劑可使合成氨反響 的速率提高上萬(wàn)億倍。的速率提高上萬(wàn)億倍。選擇適宜生產(chǎn)條件的原那么是什選擇適宜生產(chǎn)條件的原那么是什么么1既要注意外界條件對(duì)速率和限度影響既要注意外界條件對(duì)速率和限度影響的一致性，又要注意對(duì)二者影響的矛盾性。的一致性，又要注意對(duì)二者影響的矛盾性。2既要注意溫度、催化劑對(duì)速率影響的既要注意溫度、催化劑對(duì)速率影響的一致性，又要注意催化劑的活性對(duì)溫度的一致性，又要注意催化劑的活性

7、對(duì)溫度的限制。限制。3既要注意理論上的需要，又要注意實(shí)既要注意理論上的需要，又要注意實(shí)際可能性。際可能性。生成物氨的濃度生成物氨的濃度反響物的濃度反響物的濃度催化劑催化劑溫度溫度壓強(qiáng)壓強(qiáng)速率分析速率分析使使NH3生產(chǎn)得快生產(chǎn)得快外界條件外界條件高壓高壓高溫高溫使用使用增大濃度增大濃度減小濃度減小濃度平衡分析平衡分析使使NH3生產(chǎn)得多生產(chǎn)得多高壓高壓低溫低溫?zé)o影響無(wú)影響增大濃度增大濃度減小濃度減小濃度 研討的內(nèi)容研討的內(nèi)容研討的問(wèn)題研討的問(wèn)題 1、既然增大壓強(qiáng)既可提、既然增大壓強(qiáng)既可提高反響速率，又可提高氨高反響速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好？業(yè)

8、中壓強(qiáng)是否越大越好？壓強(qiáng)怎么定？壓強(qiáng)怎么定？2、既然降低溫度有利于、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？低越好？3 、催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒(méi)有影響，沒(méi)有影響， 在合成氨工業(yè)中在合成氨工業(yè)中要不要要不要使用催化劑使用催化劑，為什么？，為什么？溫度怎么選擇？溫度怎么選擇？要不要用催化要不要用催化劑？劑？ 1 1、壓強(qiáng)怎么選？、壓強(qiáng)怎么選？ 合成氨反響是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣合成氨反響是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反響，增大壓強(qiáng)既可以增大反響速率，又能體反響，增大壓強(qiáng)既可以增大反響速率，又能使平衡正向移動(dòng)，

9、所以理論上壓強(qiáng)越大越好。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、壓縮但是壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備的要求高、壓縮H2H2和和N2N2所需要的動(dòng)力大，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合所需要的動(dòng)力大，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。實(shí)際科學(xué)技術(shù)。 綜合以上兩點(diǎn)綜合以上兩點(diǎn): :根據(jù)反響器可使用的根據(jù)反響器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng)。鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng)。 2 2、溫度怎么選擇？、溫度怎么選擇？ 因?yàn)檎错懛较蚴欠艧岬姆错?，所以降低因?yàn)檎错懛较蚴欠艧岬姆错?，所以降低溫度有利于平衡正向移?dòng)。溫度有利于平衡正向移動(dòng)。 可是溫度越低，反響速率越小，到達(dá)平衡所需可是溫度越低，反響

10、速率越小，到達(dá)平衡所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，因此溫度也不宜太低。要的時(shí)間越長(zhǎng)，因此溫度也不宜太低。 催化劑催化劑要在一定溫度下催化要在一定溫度下催化活性活性最大。最大。 綜合以上因素綜合以上因素: :實(shí)際生產(chǎn)中溫度一般選擇在實(shí)際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K700K左右主要考慮催化劑的活性。左右主要考慮催化劑的活性。 3 3、使用催化劑？、使用催化劑？催化劑對(duì)合成氨反響速率的影響條件條件 E /KJ/molk(催催)/k(無(wú)無(wú))無(wú)催化劑無(wú)催化劑3353.41012(700k)使用使用Fe催化劑催化劑167 使用催化劑可使合成氨反響使用催化劑可使合成氨反響 的速率提高上萬(wàn)億倍。的速率提高上萬(wàn)億倍。 3 3

11、、使用催化劑？、使用催化劑？ 實(shí)際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑實(shí)際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑鐵觸媒，它在鐵觸媒，它在700K700K時(shí)活性最高。時(shí)活性最高。1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2、H2體積比對(duì)產(chǎn)率的影響體積比對(duì)產(chǎn)率的影響NH3% 4 4、濃度怎么定？、濃度怎么定？ N N2 2 和和H H2 2的比例怎么定？的比例怎么定？ 4 4、濃度怎么定？、濃度怎么定？ N N2 2 和和H H2 2的比例怎么定？的比例怎么定？ 增大反響物的濃度可以增大反響速率，減小增大反響物的濃度可以增大反響速率，減小生成物的

12、濃度可以使平衡正向移動(dòng)。從化學(xué)平衡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)的量比為的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1 1：3 3時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高N2N2的濃度，即的濃度，即N2N2和和H2H2的物質(zhì)的量比為的物質(zhì)的量比為1 1：時(shí)，更能促：時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。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)氨實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化別離出去；及時(shí)將氮?dú)夂蜌錃庋鋮s液化別離出去；及時(shí)將氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)利用，使其保持一定的濃度。環(huán)利用，使其保持一定的濃度。外部條件外部條件工業(yè)合成氨

13、的適宜條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)壓強(qiáng)溫度溫度催化劑催化劑濃度濃度研討的結(jié)果根據(jù)反響器可使用的鋼材質(zhì)量及根據(jù)反響器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng)綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng) 適宜溫度適宜溫度 700K左右左右使用鐵觸媒作催化劑使用鐵觸媒作催化劑N2和和H2的物質(zhì)的量比為的物質(zhì)的量比為1：的投料：的投料比比, 氨及時(shí)從混合氣中別離出去氨及時(shí)從混合氣中別離出去【總結(jié)總結(jié)】一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)反響一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)反響速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益；速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益； 選擇適宜的溫度：該溫度是催化劑活性最大選擇適宜的溫度：該溫度是催化劑活性

14、最大的溫度；的溫度； 選擇適宜的壓強(qiáng)：既要考慮化學(xué)反響速率和選擇適宜的壓強(qiáng)：既要考慮化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡，還要考慮動(dòng)力、材料、設(shè)備等。化學(xué)平衡，還要考慮動(dòng)力、材料、設(shè)備等。 【小結(jié)小結(jié)反思反思】工業(yè)上利用某可逆反響生產(chǎn)產(chǎn)品：工業(yè)上利用某可逆反響生產(chǎn)產(chǎn)品：二、合成氨工業(yè)簡(jiǎn)述：二、合成氨工業(yè)簡(jiǎn)述：1、主要流程：、主要流程：原料氣制取原料氣制取 凈化凈化 壓縮壓縮 合成合成 分離分離 液氨液氨2、原料氣制?。涸蠚庵迫。嚎諝饪諝鈮嚎s壓縮碳碳液態(tài)空氣液態(tài)空氣 N2(先逸出先逸出) 物理方法物理方法蒸發(fā)蒸發(fā)CO2(+N2) N2 化學(xué)方法化學(xué)方法 分離出分離出CO2制氮?dú)庵频獨(dú)?造氣凈化合成氨制氫氣制氫氣:天然氣天然氣 CO+H2 CO2+H2 H2 H2O(氣氣)分離出分離出CO2 CH4(g)+H2O(g)