高中化學 第2章 化學反應的方向、限度與速率 2.4 化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨課件10 魯科版選修4-魯科版高二選修4化學課件

1、 第第2 2章章 第四節(jié)第四節(jié) 化學反應條件的優(yōu)化化學反應條件的優(yōu)化 工業(yè)合成氨工業(yè)合成氨1914年，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)年，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)原來德國以哈伯為首的一批化學家克服了當時的世界化學難題以廉價的空氣、水和煤炭合成了重要的制造肥料肥料和炸藥炸藥的化工原料氨氣氨氣。因為哈伯對合成氨工業(yè)所取得的重大成就，哈伯獲得了1918年的諾諾貝爾化學獎貝爾化學獎，人們贊揚他為用空氣制造出用空氣制造出面包的天使面包的天使。德國化學家弗里茨哈伯氨硝酸染料炸藥銨鹽化肥工業(yè)冷凍(致冷劑)磺胺藥物機械工業(yè)石油加工氰化物金屬冶煉與 CO2反應尿素(作為肥料,尿素含氮量最高,是中性速效肥料,不會影響土質(zhì))塑料合成纖

2、維丁腈橡膠(氨氧化法) 假如將來你是一個合成氨工廠的廠長，假如將來你是一個合成氨工廠的廠長，對工業(yè)生產(chǎn)你會考慮哪些問題？對工業(yè)生產(chǎn)你會考慮哪些問題？交流研討（交流研討（P P65 65 ）：已知）：已知N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2 (g) 2NH2NH3 3 (g) H H0 0。在在298K298K時時: :_反應反應正反應為正反應為_反應反應正反應為氣體體積正反應為氣體體積_的反應的反應反應特點反應特點可逆可逆放熱放熱減小減小_自發(fā)進行的反應自發(fā)進行的反應能能H HT TS =S = 33.14 kJmol1 【自主探究自主探究】根據(jù)合成氨反應的特點應分別采取什么措施提高根據(jù)

3、合成氨反應的特點應分別采取什么措施提高反應的平衡轉(zhuǎn)化率和反應速率？請?zhí)顚懴卤矸磻钠胶廪D(zhuǎn)化率和反應速率？請?zhí)顚懴卤硗饨鐥l件外界條件使使NH3生產(chǎn)的多生產(chǎn)的多使使NH3生產(chǎn)的快生產(chǎn)的快平衡分析平衡分析速率分析速率分析壓強壓強催化劑催化劑溫度溫度濃度濃度高壓高壓高壓高壓高溫高溫低溫低溫使用使用無影響無影響增大反應物濃度增大反應物濃度增大反應物濃度增大反應物濃度減小生成物濃度減小生成物濃度實驗研究表明，在特定條件下，合成氨實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應的速率與參與反應的物質(zhì)的濃度關(guān)系反應的速率與參與反應的物質(zhì)的濃度關(guān)系式為：式為：則各物質(zhì)濃度對反應速率有何影響？可以則各物質(zhì)濃度對反應速率有何

4、影響？可以采取哪些措施來提高反應速率？采取哪些措施來提高反應速率？增大氮氣和氫氣的濃度，減小氨氣的濃度【自主探究自主探究】【合作探究合作探究】據(jù)合成氨反應的特點應分別采取一些措施提高反據(jù)合成氨反應的特點應分別采取一些措施提高反應的平衡轉(zhuǎn)化率和反應速率，但是二者能否一致？應的平衡轉(zhuǎn)化率和反應速率，但是二者能否一致？外界條件外界條件使使NH3生產(chǎn)的多生產(chǎn)的多使使NH3生產(chǎn)的快生產(chǎn)的快平衡分析平衡分析速率分析速率分析壓強壓強催化劑催化劑溫度溫度濃度濃度高壓高壓高壓高壓高溫高溫低溫低溫使用使用無影響無影響增大反應物濃度增大反應物濃度增大反應物濃度增大反應物濃度減小生成物濃度減小生成物濃度一致一致矛盾矛

5、盾一致一致減小生成物濃度減小生成物濃度結(jié)合外界條件對合成氨反應結(jié)合外界條件對合成氨反應的平衡和速率的影響的平衡和速率的影響，請小組探，請小組探究，工業(yè)中合成氨的適宜條件。究，工業(yè)中合成氨的適宜條件?！竞献骱献?探究探究】三、合成氨的適宜條件 溫馨提示溫馨提示: : 經(jīng)濟效益經(jīng)濟效益和和社會效益社會效益要求化學反要求化學反應速度要應速度要快快，原料的利用率要，原料的利用率要高高，單位時間的產(chǎn)量要單位時間的產(chǎn)量要高高。溫馨提示：溫馨提示： 既然增大壓強既可提高反應速率，又可既然增大壓強既可提高反應速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強選擇選擇多大多大比較

6、合適？是不是越大越好？比較合適？是不是越大越好？ 壓強怎么選？壓強怎么選？ 2合成氨反應的適宜條件合成氨反應的適宜條件 (1)壓強壓強 適宜條件適宜條件 理論依據(jù)：壓強越大，要求動力越理論依據(jù)：壓強越大，要求動力越大，對材料和設備的制造要求就越高。大，對材料和設備的制造要求就越高。 用不用催化劑？用不用催化劑？催化劑對合成氨反應速率的影響根據(jù)使用催化劑可使合成氨反應的速率提高上萬億倍上萬億倍分析，在合成氨工業(yè)中我們到底需不需要使用催化劑？答：需要，因為使用催化劑雖然不能提高答：需要，因為使用催化劑雖然不能提高合成氨的限度，但是可大大提高合成氨反合成氨的限度，但是可大大提高合成氨反應的速率，大大

7、的縮短到達平衡的時間。應的速率，大大的縮短到達平衡的時間。條件條件Ea/KJ/molk(催催)/k(無無)無催化劑無催化劑3353.41012/(100k)使用使用Fe催化劑催化劑167 溫度怎么選擇？溫度怎么選擇？ 溫馨溫馨提示：提示： 既然降低溫度有利于平衡向合成氨的方既然降低溫度有利于平衡向合成氨的方向移動，但是合成氨的速率會降低，那么溫向移動，但是合成氨的速率會降低，那么溫度我們應該如何選擇？度我們應該如何選擇？1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2濃度怎么選擇？濃度怎么選擇？ 增大增大反應物的濃度可以反應物的濃度可以增大

8、增大反應速率，反應速率，減小減小生成物的濃度可以使平衡生成物的濃度可以使平衡正向正向移動。從化學平衡移動。從化學平衡的角度分析，在氮氣和氫氣的物質(zhì)的量比為的角度分析，在氮氣和氫氣的物質(zhì)的量比為1 1：3 3時，平衡時，平衡轉(zhuǎn)化率最大轉(zhuǎn)化率最大，但是，但是實驗測得實驗測得適當提高適當提高N N2 2的的濃度，可提高濃度，可提高H H2 2的轉(zhuǎn)化率，即的轉(zhuǎn)化率，即N N2 2和和H H2 2的物質(zhì)的量比的物質(zhì)的量比為為1 1：2.82.8時，更能促進氨的合成。時，更能促進氨的合成。 濃度怎么選擇？濃度怎么選擇？0.10.1101020203030606010010040040015.315.3 8

9、1.581.586.486.489.989.995.495.4 98.898.85005002.22.252.052.064.264.271.071.084.284.2 92.692.66006000.40.425.125.138.238.247.047.065.265.2 79.879.87007000.10.110.610.619.119.126.426.442.242.2 57.557.58008000.050.054.54.59.19.113.813.823.123.1 31.431.4壓強/MPaNH3含 量/%溫度/K 即使在即使在700K700K和和30MPa30MPa時，合成氨

10、平衡時，合成氨平衡混合物中混合物中NHNH3 3的體積分數(shù)也只有的體積分數(shù)也只有26.4%26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？合合 成成 氨氨 流流 程程 簡簡 圖圖合 成 塔氨 分 離 器水 冷 器循環(huán)氣體循環(huán)氣體壓縮機壓縮機循循環(huán)環(huán)壓壓縮縮機機氮氫混合氣氮氫混合氣實際生產(chǎn)中的處理方法實際生產(chǎn)中的處理方法：及時將氣態(tài)氨冷卻：及時將氣態(tài)氨冷卻液液化分離化分離出去；及時將氮氣和氫氣出去；及時將氮氣和氫氣循環(huán)循環(huán)利用，使利用，使其保持一定的濃度（其保持一定的濃度（1 1：2.82.8 ）。）。小小結(jié)結(jié)1、合成氨的工業(yè)條件的選擇、合成氨的工業(yè)條件的選擇反應

11、速率和化學平衡共同作用的結(jié)果反應速率和化學平衡共同作用的結(jié)果2、選擇合成氨的條件時，既不能片面地、選擇合成氨的條件時，既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應速追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應速率，而應該率，而應該 合成氨適宜條件催化劑_溫度_根據(jù)設備動力選擇壓強：N2、H2投料比_及時分離_鐵觸媒700K左右低壓(1107Pa) 、中壓(2107Pa (3107Pa) 、高壓(8.5107Pa 1108Pa )、1:2.8氨氣濃度：三、合成氨的適宜條件1、關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說法正確的是、關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說法正確的是（）(A)從合成塔出來的氣體，其中氨一般占從合成塔出來的氣體，其

12、中氨一般占15%，所以生產(chǎn)氨的工業(yè)的效率都很低，所以生產(chǎn)氨的工業(yè)的效率都很低(B)由于由于NH3易液化，易液化，N2、H2可循環(huán)使用，可循環(huán)使用，則總的說來氨的產(chǎn)率很高則總的說來氨的產(chǎn)率很高(C)合成氨工業(yè)的反應溫度控制在合成氨工業(yè)的反應溫度控制在500左左右，目的是使平衡向正反應方向進行右，目的是使平衡向正反應方向進行(D)合成氨工業(yè)采用合成氨工業(yè)采用20MPa-50MPa，是因該條件下催化劑的活性最好是因該條件下催化劑的活性最好BC C2.2.有如下平衡體系：有如下平衡體系： CO（g）+2H2（g） CH3OH(g)（正（正反應為放熱反應），為了增加甲醇的產(chǎn)量，反應為放熱反應），為了增加

13、甲醇的產(chǎn)量，應采取的正確措施是（應采取的正確措施是（ ）A.A.高溫、高壓高溫、高壓 B.B.低溫、低壓低溫、低壓C.C.適當?shù)臏囟?、適當?shù)母邏?、適宜的催化劑適當?shù)臏囟?、適當?shù)母邏?、適宜的催化劑D.D.高溫、高壓、催化劑高溫、高壓、催化劑3、合成氨所需的合成氨所需的H2可由煤和水蒸氣反應可由煤和水蒸氣反應而制得，其中一步的反應為：而制得，其中一步的反應為：CO + H2O CO2 + H2 (正反應放熱正反應放熱)，下列措施中，能提高下列措施中，能提高CO轉(zhuǎn)化率的是（轉(zhuǎn)化率的是（ ）A增大壓強增大壓強 B升高溫度升高溫度C增大水蒸氣濃度增大水蒸氣濃度 D增大濃度增大濃度 已知2SO2(g)+O

14、2(g) 2SO3 (g) H0其實驗數(shù)據(jù)見表：(1) 應選用的溫度是_。應采用的壓強是_，理由是_450常常壓壓因為常壓下因為常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強，的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強，SO2的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率提高很少，但需要的動力更大，對設備的要求更高。提高很少，但需要的動力更大，對設備的要求更高。工業(yè)上利用某可逆反應生產(chǎn)產(chǎn)品：工業(yè)上利用某可逆反應生產(chǎn)產(chǎn)品： 一般要一般要使用催化劑使用催化劑：這樣可以大大加快化學：這樣可以大大加快化學反應速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟效益；反應速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟效益； 選擇選擇合適的溫度合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大：

15、該溫度是催化劑活性最大的溫度；的溫度； 選擇選擇合適的壓強合適的壓強：既要考慮化學反應速率和：既要考慮化學反應速率和化學平衡，還要考慮動力、材料、設備等。化學平衡，還要考慮動力、材料、設備等?！拘〗Y(jié)小結(jié)反思反思】外界條外界條件件有利于加快速有利于加快速率的條件控制率的條件控制有利于平衡移動有利于平衡移動的條件控制的條件控制綜合分析結(jié)果綜合分析結(jié)果濃度濃度增大反應物的增大反應物的濃度濃度增大反應物的濃增大反應物的濃度、減小生成物度、減小生成物的濃度的濃度不斷地補充反不斷地補充反應物、及時地應物、及時地分離出生成物分離出生成物催化劑催化劑加合適的催化加合適的催化劑劑不需要不需要加合適的催化加合適的催化劑劑溫度溫度高溫高溫H0低溫低溫兼顧速率和平衡，兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適宜考慮催化劑的適宜溫度溫度H0高溫高溫在設備條件允許的在設備條件允許的前提下，盡量采取前提下，盡量采取高溫并選取催化劑高溫并選取催化劑壓強壓強高壓高壓(有氣有氣體參體參加加)(g)0高壓高壓在設備條件允許的在設備條件允許的前提下，盡量采取前提下，盡量采取高壓高壓(g)0低壓低壓兼顧速率和平衡，兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強選取適宜的壓強四、合成氨工業(yè)簡述：四、合成氨工業(yè)簡述：1、主要流程：、主要流程