工業(yè)合成氨課件

〔魯科版〕選修4化學反響原理化學反響條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨[閱讀資料]2007年諾貝爾化學獎授予在外表化學領(lǐng)域作出了開拓性奉獻的德國化學家格哈德·埃特爾，其主要成就之一是對一個百年前便得以應(yīng)用的反響的催化機理研究。埃特爾也成為因?qū)Υ朔错懙难芯慷@得諾貝爾化學獎的第三位德國化學家。N2+3H22NH3

空氣煉金術(shù)——合成氨百年前的哈伯合成氨實驗裝置格哈德·埃特爾[閱讀資料]19世紀時，一些有遠見的科學家就指出：考慮到將來的糧食問題，為了使子孫后代免于饑餓，我們必須寄希望于實現(xiàn)大氣固氮。因此將空氣中豐富的氮固定下來并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式，成為一項受到眾多科學家注目和關(guān)切的重大課題。當時最吸引人的設(shè)想有兩種。比較兩個反響，從工業(yè)化生產(chǎn)的角度考慮，你認為哪一個更適合實現(xiàn)人工固氮的工業(yè)化生產(chǎn)？

N2+O2

====2NO放電K(298K)=3.84×10－31K(298K)=4.1×106N2+3H22NH3

要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)該滿足那些條件？原料價廉易得生產(chǎn)效率高能耗低對環(huán)境友好當時人們選擇的人工固氮方法主要是電弧法合成NO,效率很低,不能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。為什么不使用合成氨反響進行固氮？

N2+O2

====2NO放電K(298K)=3.84×10－31K(298K)=4.1×106N2+3H22NH3

自18世紀以來，許多人致力于合成氨反響的研究，但都無功而返。20世紀初，著名物理化學家能斯特經(jīng)過計算得出結(jié)論，認為合成氨的工業(yè)化難以實現(xiàn)，理由是合成氨反響很難自發(fā)進行，反響體系中氨的含量很低。你認為呢？請像能斯特一樣，用計算結(jié)果說明自己的結(jié)論。常溫〔298K〕時:ΔH=-92.2kJ·mol-1ΔS=-198.2J·K-1·mol-1N2+3H22NH3

能斯特〔Nernst〕，德國物理化學家，獲1920年諾貝爾化學獎。任務(wù)1探究合成氨反應(yīng)的可能性ΔH－TΔS＜0常溫〔298K〕時:ΔH=-92.2kJ·mol-1ΔS=-198.2J·K-1·mol-1N2+3H22NH3

探究ΔH－TΔS＝-92.2kJ·mol-1－298K×〔-198.2J·mol-1·K-1〕＝-33.1kJ·mol-1常溫時合成氨反響可以自發(fā)進行結(jié)論常溫〔298K〕時:ΔH=-92.2kJ·mol-1ΔS=-198.2J·K-1·mol-1N2+3H22NH3

探究ΔH－TΔS＝-33.1kJ·mol-1K(298K)＝

4.1×106哈伯經(jīng)過重新計算，糾正了能斯特的錯誤，指出常溫時合成氨反響可以自發(fā)進行，而且平衡常數(shù)很大，可以認為進行完全。究竟是什么原因阻礙了合成氨反響的應(yīng)用呢？研究化學反響的工業(yè)化應(yīng)用，除了方向和限度，還有什么因素必須考慮？反響的快慢推測影響合成氨反響速率的內(nèi)因是什么？氮氣的穩(wěn)定性，N≡N很難斷裂，反響所需的活化能特別高。工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)綜合考慮反響物的轉(zhuǎn)化率和反響的速率，取得最正確效益。可以采取什么措施破壞N≡N，加快合成氨的反響速率？升高溫度研究化學反響的工業(yè)化應(yīng)用，除了方向和限度，還有什么因素必須考慮？反響的快慢哈伯進行的試驗說明，合成氨的溫度必須在1000℃以上，才能到達工業(yè)生產(chǎn)所要求的反響速率。你認為這可行嗎？溫度25℃350℃400℃450℃600℃700℃K4×1061.8470.5070.1520.0092.6×10－3如何解決反響速率與轉(zhuǎn)化率的矛盾？降低反響活化能，提高反響速率還有其他途徑嗎？使用催化劑N2、H2有催化劑無催化劑Ea’NH3

Ea反應(yīng)歷程能量哈伯在為了尋找高效穩(wěn)定的催化劑，帶著研究小組進行了多達6500次試驗，測試了2500種不同的配方，最后選定了貴金屬鋨作為催化劑，使合成氨的設(shè)想在1913年成為工業(yè)現(xiàn)實。鑒于合成氨夢想的實現(xiàn)，瑞典皇家科學院于1918年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學獎。[閱讀資料]合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿足了20世紀人口快速增長對糧食的需求，因此人們贊揚哈伯是“用空氣制造面包的圣人〞。雖然哈伯取得了巨大的成功，但人們并不是從此就高枕無憂了。哈伯法的缺乏影響著生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，使合成氨的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)仍面臨困難。1.反響物的轉(zhuǎn)化率。當時硫酸生產(chǎn)中SO2氧化反響幾乎接近于100%轉(zhuǎn)化率，而哈伯法合成氨的產(chǎn)率只有8%。2.反響速率。哈伯所找到的兩種催化劑分別是鋨和鈾，價格高昂，而近900K的高溫，也大大增加了能耗本錢。哈伯的實驗室裝置合成氨工廠模型如何優(yōu)化合成氨的反響條件？任務(wù)2如何提高反響物的平衡轉(zhuǎn)化率？①可逆反響③正反響是放熱反響②氣體體積減小的反響反響特點影響反響物轉(zhuǎn)化率的因素有哪些？降低溫度增大壓強如何增大反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率？N2+3H22NH3

ΔH=-92.2kJ·mol-1

任務(wù)2如何提高反響物的平衡轉(zhuǎn)化率？觀察以下圖，尋找適宜的投料比。1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2與H2的投料比為1:3溫度(℃)壓強(atm)氨的體積分數(shù)（%）任務(wù)2如何提高反響物的平衡轉(zhuǎn)化率？低溫高壓400℃，500atmN2與H2的投料比為1:3任務(wù)3如何加快合成氨的反響速率？v溫度濃度壓強催化劑根據(jù)合成氨反響的特點，你認為應(yīng)該選擇怎樣的催化劑？低溫高效的催化劑博施（CarllBosch）德國化學工程專家博施，在哈伯成就的基礎(chǔ)上繼續(xù)前進，找到了比鋨更好的催化劑——鐵觸媒，使得合成氨反應(yīng)在700K左右便獲得了較高的反應(yīng)速率。1913年，博施所在的巴登公司在全世界第一個實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)。博施也因此獲得1931年諾貝爾化學獎。任務(wù)3如何加快合成氨的反響速率？ABCDE合成氨反響是在催化劑外表進行的。根據(jù)埃特爾的研究，這一過程主要經(jīng)歷了氣體擴散、吸附、斷鍵解離、外表反響、脫附等步驟，可以簡要表示如下。請判斷催化反響過程的正確順序是_____________。BDCAEN2在催化劑外表的吸附解離是最難的一步，也是決定總反響速率的一步。催化劑對合成氨反響速率的影響條件Ea(kJ/mol)k(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700K)使用催化劑167實驗證明：700K時鐵觸媒活性最大，此時可使合成氨反響速率提高上萬億倍！實驗研究說明，在一定條件下，合成氨反響的速率與反響體系中各物質(zhì)濃度的關(guān)系為:v=

kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)請你根據(jù)反響的速率方程分析：各物質(zhì)的濃度對反響速率的影響是否相同？可以采取哪些措施來提高反響速率？濃度〔壓強〕與反響速率增大c(N2)、c

(H2)；減小c(NH3)氣體濃度或壓強越大，反響越快。反響體系的壓強是否越大越好？高壓對反響容器的材質(zhì)有嚴格要求，過高的壓強會增大生產(chǎn)本錢，得不償失。實驗研究說明，在一定條件下，合成氨反響的速率與反響體系中各物質(zhì)濃度的關(guān)系為:v=

kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)有限的壓強條件下，c(N2)、c(H2)如何分配，能夠更好地加快反響速率？濃度〔壓強〕與反響速率N2與H2的投料比為1:2.8任務(wù)4合成氨反響條件的優(yōu)化使NH3生產(chǎn)快〔反響速率〕使NH3產(chǎn)率高〔反響限度〕高壓低溫無影響高壓高溫加快溫度外界條件壓強催化劑投料比1:2.81:3使用催化劑：這樣可以大大加快化學反響速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟效益；選擇適宜的溫度：700K左右，該溫度是為合成氨催化劑的活性溫度；選擇適宜的壓強:1.0×107~1×108Pa，該壓強下進行生產(chǎn)，對動力、材料、設(shè)備等來說正適宜。將氨氣及時別離出來、循環(huán)操作過程合成氨的適宜條件任務(wù)4合成氨反響條件的優(yōu)化任務(wù)5探究合成氨的逆反響電子工業(yè)上經(jīng)常通過氨的分解來制取純潔的氫氣，用于儀器元件的燒氫復原。請根據(jù)以下圖設(shè)計該反響的合理條件。溫度(℃)氨的分解率〔%〕常壓下不同溫度時氨的分解率任務(wù)5探究合成氨的逆反響溫度(℃)氨的分解率〔%〕常壓下不同溫度時氨的分解率外界條件溫度壓強（濃度）催化劑設(shè)計600℃常壓鐵觸媒化學熱力學化學動力學化學反響的方向化學反響的限度化學反響的速率合成氨反響能否自發(fā)進行？怎樣能促使化學平衡向合成氨方向移動？怎樣能提高合成氨反響速率？適宜的合成氨條件總結(jié)選擇適宜生產(chǎn)條件的原那么：(1)既要注意外界條件對二者影響一致性,又要注意對二者影響的矛盾性。(2)既要注意溫度、催化劑對速率影響的一致性,又要注意催化劑的活性