化學(xué)反應(yīng)條件的選擇-工業(yè)合成氨

第2章第四節(jié)

《

化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨》新汶中學(xué)王菊11.2教學(xué)目標(biāo)【知識與技能】應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件；【過程與方法】

運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理和化工生產(chǎn)條件選擇的的思路和方法分析問題，解決問題；體驗實(shí)際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異；【情感態(tài)度與價值觀】認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，提升對化學(xué)反應(yīng)的價值的認(rèn)識，從而贊賞化學(xué)科學(xué)對個人生活和社會發(fā)展的貢獻(xiàn)。

化學(xué)反應(yīng)速率

化學(xué)平衡氣體壓強(qiáng)溫度催化劑濃度回顧：影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些?升高溫度,反應(yīng)速率加快增大壓強(qiáng),反應(yīng)速率加快催化劑加快反應(yīng)速率增大反應(yīng)物濃度，反應(yīng)速率加快升高溫度,平衡向吸熱方向移動增大壓強(qiáng),平衡向氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的方向移動催化劑對平衡無影響增大反應(yīng)物濃度,平衡正向移動

19世紀(jì)以前，有遠(yuǎn)見的化學(xué)家曾指出：考慮到將來的糧食問題，為使子孫后代免于饑餓，必須寄希望于科學(xué)家能實(shí)現(xiàn)大氣固氮——將空氣中豐富的氮固定下來并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式。德國化學(xué)家哈伯在1913年實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，因此人們贊揚(yáng)哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。

弗里茨·哈伯假如你是化工廠的老板，你將如何選擇合成氨的適宜反應(yīng)條件？都要考慮哪些方面的問題？一、理論1、反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？（反應(yīng)方向問題）

2、怎樣能使氨氣產(chǎn)得多？（反應(yīng)限度問題）3、怎樣能使氨氣產(chǎn)得快？（反應(yīng)速率問題）

二、實(shí)際

生產(chǎn)成本和生產(chǎn)條件基本思路△H-T△S<0增大反應(yīng)限度（平衡正向移動）加快反應(yīng)速率合成氨反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1思考：請根據(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？反應(yīng)的方向△H-T△S<0反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行反應(yīng)的特點(diǎn)合成氨反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1思考：從反應(yīng)的可逆性、熱效應(yīng)、氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)變化的角度分析合成氨的反應(yīng)特點(diǎn)。a、可逆反應(yīng)b、放熱反應(yīng)c、氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的反應(yīng)思考：根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，結(jié)合化學(xué)平衡移動的知識，分析什么條件能使氨氣生成得多？反應(yīng)的限度合成氨反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1

降低溫度，

增大壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2在溫度壓強(qiáng)一定時，N2、H2體積比為

1：3時平衡混合物中氨的含量最高。

N2、H2體積比對產(chǎn)率的影響圖在反應(yīng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時，將產(chǎn)物氨氣及時從混合氣體中分離出去。思考：結(jié)合影響反應(yīng)速率的因素，思考什么條件能使氨生成得快？反應(yīng)的速率合成氨反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1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:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)思考：可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？增大N2、H2濃度，將氨及時從混合氣中分離出去反應(yīng)的速率催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響條件△E（KJ/mol）k(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍反應(yīng)的速率討論：催化劑是對合成氨反應(yīng)速率的影響程度如何？鐵觸媒催化能力【交流研討】

研討的內(nèi)容研討的問題

研討結(jié)果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，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？3、催化劑對化學(xué)平衡的移動沒有影響，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？適宜條件的選擇N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8，及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)利用.（閱讀書本67頁最后一段）討論：濃度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？適宜條件的選擇外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑濃度研討的結(jié)果

適宜溫度

700K左右（催化劑活性最大）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,氨及時從混合氣中分離出去，未轉(zhuǎn)化的N2和H2進(jìn)行循環(huán)利用適宜條件的選擇低壓：100個大氣壓中壓：200—300個大氣壓高壓：850—1000個大氣壓工業(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，還要考慮動力、材料、設(shè)備等。【小結(jié)·反思】已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0（催化劑：V2O5在400—500℃催化效果最好）(1)應(yīng)選用的溫度是______。應(yīng)采用的壓強(qiáng)是______，理由是___________________________________________________________________________________450℃常壓因為常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強(qiáng)，SO2的轉(zhuǎn)化率提高很少，但會增大設(shè)備成本?！驹囈辉嚒恳阎?SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0（4）尾氣中有SO2必須回收是為了

增大氧氣濃度，提高SO2的利用率防止SO2污染空氣(3)在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目是

【試一試】1．在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列變化過程不能使平衡向右移動的是（

）（A）不斷將NH3分離出來（B）使用催化劑（C）采用700K左右的高溫（D）采用2×107～5×107Pa的壓強(qiáng)BC【鞏固提升】2．工業(yè)合成氨的反應(yīng)是在500℃左右進(jìn)行，主要原因是（

）A.500℃時反應(yīng)速率最快

B.500℃時NH3的平衡濃度最大

C.500℃℃時N2的轉(zhuǎn)化率最高

D.500時催化劑能發(fā)揮最大效力D【鞏固提升】3、在合成氨時，可以提高H2轉(zhuǎn)化率的措施是（）(A)延長反應(yīng)時間(B)充入過量H2(C)充入過量N2(D)升高溫度C【鞏固提升】4.下列反應(yīng)達(dá)到平衡時，哪種條件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2(g)

X2Y4(g)

（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）()A.高溫高壓B.低溫低壓C.高溫低壓D.高壓低溫D【鞏固提升】5.對于反應(yīng):2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)下列判斷正確的是()A.2體積SO2和足量O2反應(yīng),必定生成2體積SO3B.其他條件不變,增大壓強(qiáng),平衡向右移動C.平衡時,SO2消耗速率必定等于O2的生成速率的兩倍D.平衡時,SO2濃度必定等于O2濃度的兩倍.BC【鞏固提升】哈伯的功與過1905年哈伯在慕尼黑出版了《工業(yè)氣體反應(yīng)熱力學(xué)》一書。書中闡述了他對氮、氫合成反應(yīng)平衡關(guān)系的研究。哈伯經(jīng)過不斷探索和不懈努力，從常溫常壓到高溫高壓，從火花下反應(yīng)到使用不同催化劑。最后，在200個大氣壓和溫度在500-600℃時，氫、氮反應(yīng)得到6%以上的氨。1909年7月，哈伯成功地建立了每小時能產(chǎn)生80克氨的實(shí)驗裝置。哈伯為合成氨工業(yè)奠定了基礎(chǔ)。耗時5年，終于找到了合適的催化劑，并設(shè)計出能長期使用和可操作的簡便合成氨裝置。

1914年第一次世界大戰(zhàn)開始，在戰(zhàn)爭期間該廠為德國提供了世界少有的氮化合物，以生產(chǎn)炸藥和化肥。在哈伯的建議下,德軍首次在戰(zhàn)場上使用毒氣,并有效地打擊了敵人。不過,當(dāng)毒氣戰(zhàn)計劃傳達(dá)給德軍師級指揮官時,遭到了所有指揮官的拒絕。只有部隊被圍困在伊普雷城的阿爾布雷希特公爵予以支持。3個多月后,“毒氣戰(zhàn)”在伊普雷戰(zhàn)役中正式誕生,造成英法聯(lián)軍約15000人中毒,并帶走了5000多人的性命。不過,這場毒氣戰(zhàn)最終并沒有給德國人帶來勝利,卻讓哈伯陷入了眾叛親離的境地。哈伯的妻子克拉克也是化學(xué)博士,很清楚毒氣的危害。當(dāng)她懇求丈夫放棄這種慘無人道的武器時,丈夫不僅咒罵她,還聲稱毒氣是“盡快結(jié)束戰(zhàn)爭的人道武器”。哈伯認(rèn)為,作為戰(zhàn)爭工具的毒氣,并不比“天上飛的彈體”更殘忍。這些言行遭到來自國際科學(xué)界的一致譴責(zé)。

憤怒和無奈之下,克拉克用哈伯的手槍自殺身亡。但這并沒有促使狂熱的愛國者冷靜下來。相反,他堅信自己所做的一切,都是“為了人類的和平,為了祖國的戰(zhàn)爭”。1918年，哈伯因研制合成氨作出重大貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾化學(xué)獎，由于第一次世界大戰(zhàn)中哈伯為德國軍方研制殺人化學(xué)武器，哈伯被戰(zhàn)勝國列入戰(zhàn)犯名單。來自英法兩國的科學(xué)家尤其激憤。在他們眼里,哈伯是個徹頭徹尾