工業(yè)合成氨課件

〔魯科版〕選修4化學(xué)反響原理化學(xué)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(xué)獎(jiǎng)授予在外表化學(xué)領(lǐng)域作出了開(kāi)拓性奉獻(xiàn)的德國(guó)化學(xué)家格哈德·埃特爾，其主要成就之一是對(duì)一個(gè)百年前便得以應(yīng)用的反響的催化機(jī)理研究。埃特爾也成為因?qū)Υ朔错懙难芯慷@得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的第三位德國(guó)化學(xué)家。N2+3H22NH3

空氣煉金術(shù)——合成氨百年前的哈伯合成氨實(shí)驗(yàn)裝置格哈德·埃特爾[閱讀資料]19世紀(jì)時(shí)，一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的科學(xué)家就指出：考慮到將來(lái)的糧食問(wèn)題，為了使子孫后代免于饑餓，我們必須寄希望于實(shí)現(xiàn)大氣固氮。因此將空氣中豐富的氮固定下來(lái)并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式，成為一項(xiàng)受到眾多科學(xué)家注目和關(guān)切的重大課題。當(dāng)時(shí)最吸引人的設(shè)想有兩種。比較兩個(gè)反響，從工業(yè)化生產(chǎn)的角度考慮，你認(rèn)為哪一個(gè)更適合實(shí)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)該滿(mǎn)足那些條件？原料價(jià)廉易得生產(chǎn)效率高能耗低對(duì)環(huán)境友好當(dāng)時(shí)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(jì)效益。為什么不使用合成氨反響進(jìn)行固氮？

N2+O2

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

自18世紀(jì)以來(lái)，許多人致力于合成氨反響的研究，但都無(wú)功而返。20世紀(jì)初，著名物理化學(xué)家能斯特經(jīng)過(guò)計(jì)算得出結(jié)論，認(rèn)為合成氨的工業(yè)化難以實(shí)現(xiàn)，理由是合成氨反響很難自發(fā)進(jìn)行，反響體系中氨的含量很低。你認(rèn)為呢？請(qǐng)像能斯特一樣，用計(jì)算結(jié)果說(shuō)明自己的結(jié)論。常溫〔298K〕時(shí):ΔH=-92.2kJ·mol-1ΔS=-198.2J·K-1·mol-1N2+3H22NH3

能斯特〔Nernst〕，德國(guó)物理化學(xué)家，獲1920年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。任務(wù)1探究合成氨反應(yīng)的可能性ΔH－TΔS＜0常溫〔298K〕時(shí):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(shí)合成氨反響可以自發(fā)進(jìn)行結(jié)論常溫〔298K〕時(shí):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(guò)重新計(jì)算，糾正了能斯特的錯(cuò)誤，指出常溫時(shí)合成氨反響可以自發(fā)進(jìn)行，而且平衡常數(shù)很大，可以認(rèn)為進(jìn)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(xué)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(cè)影響合成氨反響速率的內(nèi)因是什么？氮?dú)獾姆€(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(xué)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(jìn)行的試驗(yàn)說(shuō)明，合成氨的溫度必須在1000℃以上，才能到達(dá)工業(yè)生產(chǎn)所要求的反響速率。你認(rèn)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(wú)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(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(shí)。鑒于合成氨夢(mèng)想的實(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)。[閱讀資料]合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿(mǎn)足了20世紀(jì)人口快速增長(zhǎng)對(duì)糧食的需求，因此人們贊揚(yáng)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(wú)憂(yōu)了。哈伯法的缺乏影響著生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)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(dāng)時(shí)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(jià)格高昂，而近900K的高溫，也大大增加了能耗本錢(qián)。哈伯的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)影響反響物轉(zhuǎn)化率的因素有哪些？降低溫度增大壓強(qiáng)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(qiáng)(atm)氨的體積分?jǐn)?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(qiáng)催化劑根據(jù)合成氨反響的特點(diǎn)，你認(rèn)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(guó)化學(xué)工程專(zhuān)家博施，在哈伯成就的基礎(chǔ)上繼續(xù)前進(jìn)，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(gè)實(shí)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(xué)獎(jiǎng)。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(jìn)行的。根據(jù)埃特爾的研究，這一過(guò)程主要經(jīng)歷了氣體擴(kuò)散、吸附、斷鍵解離、外表反響、脫附等步驟，可以簡(jiǎn)要表示如下。請(qǐng)判斷催化反響過(guò)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(duì)合成氨反響速率的影響條件Ea(kJ/mol)k(催)/k(無(wú))無(wú)催化劑3353.4×1012(700K)使用催化劑167實(shí)驗(yàn)證明：700K時(shí)鐵觸媒活性最大，此時(shí)可使合成氨反響速率提高上萬(wàn)億倍！實(shí)驗(yàn)研究說(shuō)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(qǐng)你根據(jù)反響的速率方程分析：各物質(zhì)的濃度對(duì)反響速率的影響是否相同？可以采取哪些措施來(lái)提高反響速率？濃度〔壓強(qiáng)〕與反響速率增大c(N2)、c

(H2)；減小c(NH3)氣體濃度或壓強(qiáng)越大，反響越快。反響體系的壓強(qiáng)是否越大越好？高壓對(duì)反響容器的材質(zhì)有嚴(yán)格要求，過(guò)高的壓強(qiáng)會(huì)增大生產(chǎn)本錢(qián)，得不償失。實(shí)驗(yàn)研究說(shuō)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(qiáng)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(qiáng)〕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?zé)o影響高壓高溫加快溫度外界條件壓強(qiáng)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(xué)反響速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益；選擇適宜的溫度：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(qiáng):1.0×107~1×108Pa，該壓強(qiáng)下進(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)動(dòng)力、材料、設(shè)備等來(lái)說(shuō)正適宜。將氨氣及時(shí)別離出來(lái)、循環(huán)操作過(guò)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(guò)氨的分解來(lái)制取純潔的氫氣，用于儀器元件的燒氫復(fù)原。請(qǐng)根據(jù)以下圖設(shè)計(jì)該反響的合理?xiàng)l件。溫度(℃)氨的分解率〔%〕常壓下不同溫度時(shí)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(shí)氨的分解率外界條件溫度壓強(qiáng)（濃度）催化劑設(shè)計(jì)600℃常壓鐵觸媒化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)反響的方向化學(xué)反響的限度化學(xué)反響的速率合成氨反響能否自發(fā)進(jìn)行？怎樣能促使化學(xué)平衡向合成氨方向移動(dòng)？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(duì)二者影響一致性,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)速率影響的一致性,又要注意催化劑的活性