化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨課件高二上學(xué)期化學(xué)選擇性必修12

第2章化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率第4節(jié)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)知識(shí)體系1.結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例，討論化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化，形成從限度、速率、能耗的多角度綜合調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的基本思路，發(fā)展“綠色化學(xué)”的觀念和辯證思維的能力。2.能運(yùn)用溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律解釋生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)際問(wèn)題。集天使與魔鬼與一身的科學(xué)家

在化學(xué)發(fā)展史上，有一位化學(xué)家，雖然他早已長(zhǎng)眠地下，但是他卻給世人留下關(guān)于他功過(guò)是非的激烈爭(zhēng)論。他就是20世紀(jì)初聞名世界的德國(guó)物理化學(xué)家、合成氨的發(fā)明者弗里茨·哈伯。贊揚(yáng)哈伯的人說(shuō)：他是天使，為人類帶來(lái)豐收和喜悅，是用空氣制造面包的圣人。詛咒他的人則說(shuō)：他是魔鬼，給人類帶來(lái)災(zāi)難、痛苦和死亡。針?shù)h相對(duì)、截然不同的評(píng)價(jià)，同指一人而言，令人愕然。弗里茨·哈伯

弗里茨·哈伯（FritzHaber，1868年12月9日～1934年1月29日），德國(guó)化學(xué)家，出生在德國(guó)西里西亞布雷斯勞（現(xiàn)為波蘭的弗羅茨瓦夫）的一個(gè)猶太人家庭。1909年，成為第一個(gè)從空氣中制造出氨的科學(xué)家，使人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動(dòng)局面，加速了世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因此獲得1918年瑞典科學(xué)院諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。一戰(zhàn)中，哈伯擔(dān)任化學(xué)兵工廠廠長(zhǎng)時(shí)負(fù)責(zé)研制、生產(chǎn)氯氣、芥子氣等毒氣，并使用于戰(zhàn)爭(zhēng)之中，造成近百萬(wàn)人傷亡，遭到全世界人們的譴責(zé)。弗里茨·哈伯合成氨實(shí)驗(yàn)裝置化工生產(chǎn)過(guò)程中反應(yīng)條件的優(yōu)化反應(yīng)條件優(yōu)化的目的：降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益②化學(xué)反應(yīng)的限度③化學(xué)反應(yīng)的速率生產(chǎn)的高效益生產(chǎn)的高效率④生產(chǎn)條件對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求等投資成本經(jīng)濟(jì)效益①化學(xué)反應(yīng)的方向生產(chǎn)的科學(xué)性交流研討閱讀課本第76-77頁(yè)，以合成氨為例來(lái)分析反應(yīng)條件的選擇K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？2.根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn),利用影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素,分析什么條件有利于氨的合成？△H－T△S=－92.2KJ·mol-1×10-3KJ·K-1·mol-1)

=－33.1KJ·mol-1＜0反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行降低溫、增大壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡正向移動(dòng)，N2、H2濃度比為1：3，平衡混合物中氨的含量最高。一、合成氨反應(yīng)的限度1、結(jié)合影響反應(yīng)速率的因素，你認(rèn)為通過(guò)控制哪些反應(yīng)條件來(lái)提高合成氨反應(yīng)的速率？(1)溫度：(2)壓強(qiáng)：(3)濃度：(4)催化劑：二、合成氨反應(yīng)的速率升高溫度增大壓強(qiáng)增大反應(yīng)物濃度使用催化劑交流研討：2、實(shí)驗(yàn)表明，在特定條件下，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：v=kc(N2)c(H2)c-1(NH3)請(qǐng)你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃度對(duì)反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來(lái)提高反應(yīng)速率？增大N2、H2濃度,將氨及時(shí)從混合氣中分離出去閱讀課本第77-78頁(yè)3、請(qǐng)你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響：催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響條件Ea/KJ·mol-1K(催)/K(無(wú))無(wú)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(wàn)億倍。催化劑的選擇性、高效性、局限性。如何提高催化劑的活性（自身成分、溫度、粒度、合成方法、反應(yīng)溫度及壓強(qiáng)）。如何防止催化劑中毒。閱讀課本第78頁(yè)《化學(xué)與技術(shù)》，了解工業(yè)合成氨的催化歷程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(guò)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(kāi)反應(yīng)區(qū)等五個(gè)步驟。課本78頁(yè)★★★根據(jù)對(duì)氨的合成反應(yīng)的速率及催化反應(yīng)歷程的研究，得出以下結(jié)論∶1.第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制總反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟。為保證氮?dú)庹加幸欢ǚ蓊~的催化劑活性中心并提高吸附速率，應(yīng)適當(dāng)提高氮的分壓p(N2)，即不是達(dá)到最大平衡轉(zhuǎn)化率要求的n(N2):n(H2)=1:3，而是n(N2):n(H2)=1。2.為提高氨的脫附速率，以空出活性中心供繼續(xù)合成氨使用，必須降低混合氣中氨的比例，適時(shí)地將氨從反應(yīng)后的混合氣體中分離出來(lái)。2、合成氨選擇適宜條件合成氨適宜條件催化劑_________溫度__________________________根據(jù)設(shè)備動(dòng)力選擇壓強(qiáng)________________N2、H2投料比______及時(shí)分離________鐵700K左右(催化劑的活性溫度)1×107~1×108Pa氨氣5.為了提高合成氨生產(chǎn)的能力，還可以在哪些方面做進(jìn)一步改進(jìn)?交流·研討原料的價(jià)格未轉(zhuǎn)化的合成氣（氮?dú)夂蜌錃猓┑难h(huán)使用反應(yīng)熱的綜合利用合成氨的整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)包括造氣、凈化、合成氨三大部分。

造氣原料氣中的氮?dú)鈦?lái)自空氣，而氫氣來(lái)自天然氣、煤和煉油產(chǎn)品。以天然氣為原料時(shí)，反應(yīng)可簡(jiǎn)單表示為:CH4+H2OCO+3H2CO+H2OCO2+H2凈化消除造氣過(guò)程中夾帶的雜質(zhì)，防止催化劑中毒。

合成氨該部分包括終端產(chǎn)品氨的分離，氮?dú)?、氫氣的循環(huán)使用，利用反應(yīng)產(chǎn)生的熱預(yù)熱合成氣等。

高溫催化劑高溫催化劑課本80頁(yè)化工生產(chǎn)適宜條件選擇的一般原則條件原則從化學(xué)反應(yīng)速率分析既不能過(guò)快，又不能太慢從化學(xué)反應(yīng)限度分析既要注意外界條件對(duì)速率和平衡影響的一致性，又要注意二者影響的矛盾性從原料的利用率分析增加易得廉價(jià)原料，提高難得高價(jià)原料的利用率，從而降低生產(chǎn)成本從實(shí)際生產(chǎn)能力分析如設(shè)備承受高溫、高壓能力等從催化劑的活性分析注意溫度對(duì)催化劑的活性的限制1、已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表(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?yàn)槌合耂O2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，但需要的動(dòng)力更大，對(duì)設(shè)備的要求更高練習(xí)：2、氨的合成反應(yīng)，生產(chǎn)中采用的適宜條件是（）A、低溫、高壓、適當(dāng)?shù)拇呋瘎〣、高溫、常壓C、盡可能高溫、高壓D、適當(dāng)?shù)臏囟取⑦m當(dāng)?shù)母邏?、適宜催化劑D3.下列有關(guān)工業(yè)合成氨的敘述中正確的是()A.溫度升高，不利于提高合成氨的反應(yīng)速率B.工業(yè)上選擇合適的條件，可以使氮?dú)馊哭D(zhuǎn)化為氨C.合成氨反應(yīng)化學(xué)平衡的移動(dòng)受到溫度、反應(yīng)物濃度、壓強(qiáng)等因素的影響D.使用鐵催化劑，可以使氮?dú)夂蜌錃饣系乃俾拭黠@加快CD4.在一定溫度下，在恒壓容器a與恒容容器b中，分別盛入體積比為1∶3的N2和H2，開(kāi)始時(shí)體積相同，達(dá)到平衡時(shí),N2的轉(zhuǎn)化率應(yīng)該是()A.a大B.b大C.a、b一樣大D.不一定A5.在容積可變的密閉容器中，2molN2和8molH2在一定條件下反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)，H2的轉(zhuǎn)化率為25%，則平衡時(shí)氨氣的體積分?jǐn)?shù)接近于()A.5%B.10%C.15%D.20%C平衡后，恒壓容器壓強(qiáng)大，

恒容容器容積大！

列三段式

6.下列所述情況表示合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是()A、H2的消耗速率與NH3的生成速率之比為3∶2B、混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變C、N2的生成速率與NH3的生成速率之比為1∶1D、密閉容器中H2、N2、NH3的物質(zhì)的量之比為3∶1∶2B7、合成氨技術(shù)的發(fā)明使工業(yè)化人工固氮成為現(xiàn)實(shí)。(1)下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，不能用平衡移動(dòng)原理來(lái)解釋的是_____。A、使用鐵催化劑有利于合成氨的反應(yīng)B、高壓比常壓更有利于合成氨的反應(yīng)C、500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)D、使反應(yīng)混合物中的氨液化后分離有利于合成氨的反應(yīng)AC(2)已知工業(yè)合成氨N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1。①一定溫度下，在容積恒定的密閉容器中，一定量的N2和H2反應(yīng)達(dá)到平衡后，改變某一外界條件，反應(yīng)速率與時(shí)間的關(guān)系如下圖所示，其中t2、t4、t7時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件改變分別是：t2

t4

t7

。增大N2或H2的濃度加入催化劑降溫增上減下、哪移哪大、溫壓要斷、濃度相連規(guī)律總結(jié)：②溫度為T(mén)℃時(shí)，將2amolH2和amolN2放入0.5L密閉容器中，充分反應(yīng)達(dá)平衡后測(cè)得N2的轉(zhuǎn)化率為50%，此時(shí)放出熱量46.1kJ，則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為_(kāi)_________。用三段式計(jì)算：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始物質(zhì)的量濃度(mol?L-1)：2a4a0轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量濃度(mol?L-1)：a3a2a平衡物質(zhì)的量濃度(mol?L-1)：aa2a平衡常數(shù)K=4a2/a4=4/a2平衡時(shí)放出熱量46.1kJ，則平衡時(shí)N2轉(zhuǎn)化了0.5mol，0.5a=0.5mol，，K。8.在硫酸工業(yè)中,通過(guò)下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-198kJ·mol-1。如表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)催化劑△====(1)從理論上分析，為了使二氧化硫盡可能轉(zhuǎn)化為三氧化硫，可控制的條件是_____________。(2)實(shí)際生產(chǎn)中，選定400℃～500℃作為操作溫度其原因是__________________。(3)實(shí)際生產(chǎn)中，采用的壓強(qiáng)為常壓，其原因是__________________________________。(4)在生產(chǎn)中，通入過(guò)量空氣的目的___________。(5)尾氣中的SO2必須回收是為了_________。低溫，高壓該溫度催化劑的活性最高，選擇此溫度可提高反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間因?yàn)樵诔合?00℃～500℃時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對(duì)設(shè)備及動(dòng)力系統(tǒng)要求高，加大了成本和能量消耗，不合適增大氧氣的濃度，使平衡向生成SO3的方向移動(dòng)，提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率減少對(duì)環(huán)境的污染9、0.1molCO2與0.3molC在恒壓密閉容器中發(fā)生反應(yīng):CO2(g)+C(s)2CO(g)。平衡時(shí),體系中各氣體的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)