化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨課件上學(xué)期高二化學(xué)選擇性必修

不平凡的魚化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨學(xué)習(xí)目標(biāo)01了解氨反應(yīng)的限度02通過分析化學(xué)反應(yīng)的限度和速率，選擇合適的反應(yīng)條件1神奇的生物固氮在自然界里，由于生物固氮酶催化劑（如根瘤菌）的作用，在常溫、常壓下每年可以從空氣中固定1億噸氮。但只有豆科植物才能有此功能。其他植物需要氮肥滿足自身生長(zhǎng)。用空氣制造面包的人弗里茨·哈伯

19世紀(jì)以前，一些有遠(yuǎn)見的化學(xué)家指出：考慮到將來的糧食問題，為了使子孫后代免于饑餓，我們必須寄希望于科學(xué)家能實(shí)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，在20世紀(jì)初成為一項(xiàng)受到眾多科學(xué)家注目和關(guān)切的重大課題。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150年的時(shí)間。德國(guó)科學(xué)家哈伯在10年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了無數(shù)次的探索，單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑，2年間他們就進(jìn)行了多達(dá)6500次試驗(yàn)，測(cè)試了2500種不同的配方，最后選定了一種合適的催化劑，使合成氨的設(shè)想在1913年成為工業(yè)現(xiàn)實(shí)，滿足了20世紀(jì)人口由30億增至60億對(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”。鑒于合成氨工業(yè)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)。合成氨工藝流程圖合成氨工廠一角化學(xué)反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)看起來十分簡(jiǎn)單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會(huì)經(jīng)歷如此漫長(zhǎng)的發(fā)展過程?合成氨工廠為什么需要那么龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件?聯(lián)想·質(zhì)疑思考方向0102化學(xué)反應(yīng)的限度03化學(xué)反應(yīng)的速率合成氨的適宜條件的選擇化學(xué)反應(yīng)的限度HISTORYOFDEVELOPMENT011、合成氨的反應(yīng)的原理及特點(diǎn)合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)298K時(shí):△H=-92.2KJ·mol-1

，△S=-198.2J·K-1·mol-1常溫(298K)下,能自發(fā)進(jìn)行?G=?H-T△S=KJ·mol-1-298KKJ·K·mol-1×10-3

）J·mol-1＜0①可逆反應(yīng)③正反應(yīng)氣體體積縮?、苷磻?yīng)是放熱反應(yīng)②熵減小的反應(yīng)特點(diǎn)：2、合成氨的反應(yīng)的限度合成氨反應(yīng)的目的：提高氨的產(chǎn)率，即使反應(yīng)最大程度的向右進(jìn)行，提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)298K時(shí):△H=-92.2KJ·mol-1

，△S=-198.2J·K-1·mol-1如何從溫度、濃度、壓強(qiáng)角度提高合成氨的產(chǎn)率？根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn),結(jié)合勒夏特列原理分析因素反應(yīng)特點(diǎn)相應(yīng)措施溫度濃度壓強(qiáng)放熱正向反應(yīng)分子數(shù)減小低溫高壓增加反應(yīng)物濃度，分離出NH3進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在一定的溫度、壓強(qiáng)下氮?dú)狻錃獾捏w積比為1:3時(shí)平衡混合物中氨的含量最高。歸納總結(jié)實(shí)際生產(chǎn)N2和H2的物質(zhì)的量比為1：的投料比；及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；將氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)利用。反應(yīng)條件低溫、高壓、增加反應(yīng)物濃度、分離出NH3c(N2):c(H2)=1:3目標(biāo)：工業(yè)生產(chǎn)希望反應(yīng)速率越大越好N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)△H=-92.2kJ·mol-1

資料1.合成氨反應(yīng)速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)濃度的關(guān)系式為：υ=kc(N2)

·c(H2)·c-1(NH3)結(jié)論：1、氨的合成反應(yīng)的速率與氮?dú)鉂舛鹊?次方成正比，與氫氣濃度的1.5次方成正比，與氨氣濃度的1次方成反比。2.應(yīng)在反應(yīng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)，將氨從混合氣中分離出去。催化劑對(duì)氨的合成反應(yīng)速率的影響

結(jié)論：使用催化劑可以使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。因此，要實(shí)現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，使用適宜的催化劑是最有效的途徑。使用鐵觸媒作催化劑條件△E/KJ/molk(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167合成氨的催化歷程

工業(yè)上，氮?dú)馀c氫氣合成氨的反應(yīng)是在催化劑表面上進(jìn)行的。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，一般要經(jīng)歷反應(yīng)物擴(kuò)散至催化劑表面、吸附在催化劑表面、發(fā)生表面反應(yīng)、產(chǎn)物從催化劑表面脫附、產(chǎn)物擴(kuò)散離開反應(yīng)區(qū)等五個(gè)步驟。結(jié)論：P86從溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑角度提高合成氨的速率因素反應(yīng)特點(diǎn)相應(yīng)措施溫度濃度壓強(qiáng)催化劑活化能高高溫高壓增加反應(yīng)物濃度，分離出NH3υ=kc(N2)

·c(H2)·c-1(NH3)使用合適的催化劑合成氨的適宜條件的選擇03交流·研討提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率提高反應(yīng)的速率反應(yīng)特點(diǎn)措施反應(yīng)特點(diǎn)措施放熱活化能高正反應(yīng)分子數(shù)減少低溫時(shí)反應(yīng)速率低反應(yīng)可逆原料氣濃度增大能提高反應(yīng)速率氨氣濃度增大能降低反應(yīng)速率1.根據(jù)氨的合成反應(yīng)的特點(diǎn)，應(yīng)分別采取什么措施提高該反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率?將有關(guān)建議填入表格中。分離出氨氣低溫使用合適催化劑高壓高溫原料循環(huán)利用增大原料氣濃度交流·研討如何選擇合成氨生產(chǎn)選擇適宜條件生成物氨的濃度反應(yīng)物的濃度催化劑溫度壓強(qiáng)速率分析使NH3生產(chǎn)得快外界條件高壓高溫使用增大濃度減小濃度平衡分析使NH3生產(chǎn)得多高壓低溫?zé)o影響增大濃度減小濃度反應(yīng)物的濃度催化劑溫度壓強(qiáng)使NH3生產(chǎn)得快外界條件使NH3生產(chǎn)得多？實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)問題1，合成氨時(shí)壓強(qiáng)越大越好，為什么實(shí)際生產(chǎn)中不選擇比3.0*104kpa？問題2，合成氨時(shí)溫度越低越好，為什么實(shí)際生產(chǎn)中不選擇低溫生產(chǎn)？問題3，合成氨時(shí)為什么要對(duì)氮?dú)夂蜌錃馓峒?，且物質(zhì)的量執(zhí)筆為1：歸納總結(jié)外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑濃度根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)，大致分為低壓、中壓、高壓三種（在107～108Pa之間）700K左右使用鐵作催化劑N2和H2的物質(zhì)的量比為1：的投料比,氨及時(shí)從混合氣中分離出去魚和熊掌不可兼得工業(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(dòng)力、材料、設(shè)備等。課堂練習(xí)1、對(duì)于合成氨工業(yè)，只從提高原料轉(zhuǎn)化率看，從下列條件中選擇最適宜的組合是（

）①高溫

②低溫

③低壓

④高壓

⑤催化劑

⑥加氨

⑦除氨A.②④⑤B.②④⑦C.①④⑤D.②③⑥B2．某工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生反應(yīng)：2A(g)＋B(g)?2M(g)ΔH<0。下列有關(guān)該工業(yè)生產(chǎn)的說法正確的是(

)A．工業(yè)上合成M時(shí)，一定采用高壓條件，因?yàn)楦邏河欣贛的生成B．若物質(zhì)B價(jià)廉易得，工業(yè)上一般采用加入過量的B以提高A和B的轉(zhuǎn)化率C．工業(yè)上一般采用較高溫度合成M，因溫度越高，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高D．工業(yè)生產(chǎn)中常采用催化劑，因?yàn)樯a(chǎn)中使用催化劑可提高M(jìn)的日產(chǎn)量D(1)應(yīng)選擇的溫度是________，理由是

。3、已知2SO2(g)＋O2(g)

2SO3(g)ΔH<0的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：溫度不同壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3450℃該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，轉(zhuǎn)化率降低；在450℃反應(yīng)