化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化

化學(xué)反應(yīng)原理第二章第四節(jié)復(fù)習(xí)影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些?化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)平衡溫度氣體壓強(qiáng)催化劑濃度溫度越高,反應(yīng)速率越大壓強(qiáng)越大,反應(yīng)速率越大正催化劑加快反應(yīng)速率反應(yīng)物濃度越大,反應(yīng)速率越大升高溫度,平衡向吸熱方向移動(dòng)增大壓強(qiáng),平衡向氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的方向移動(dòng)催化劑對(duì)平衡無(wú)影響增大反應(yīng)物濃度,平衡正向移動(dòng)自從1809年在南美州的智利發(fā)現(xiàn)了硝酸鈉礦床之后，智利硝石很快就成為當(dāng)時(shí)世界上無(wú)機(jī)礦物含氮肥料的主要來(lái)源，據(jù)估計(jì)，在1850-1900年間，全世界無(wú)機(jī)氮肥有70%來(lái)自智利硝石，但礦產(chǎn)資源是有限的，這就迫使人們?nèi)ニ伎迹喝绾问勾髿庵杏坞x態(tài)氮，用人工的方法轉(zhuǎn)變成可為植物吸收的化合態(tài)氮，即人工固氮，一直是化學(xué)家探索的有關(guān)國(guó)計(jì)民生的重大課題，特別是如何利用空氣中氮和水中的氫直接合成氨一直十九世紀(jì)化學(xué)家研究的焦點(diǎn)之一。但由于長(zhǎng)期未獲成功，以至有人得出“由氮和氫直接合成氨是不可能的”的錯(cuò)誤結(jié)論。直到1909年，德國(guó)化學(xué)哈伯取得了突破性進(jìn)展，成功地建立了每小時(shí)能產(chǎn)生80克氨的裝置，從而使人們看到了解決這一問(wèn)題的曙光，開(kāi)創(chuàng)了合成氨的歷史，哈伯也因此獲得了1918年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。弗里茨·哈伯：

化學(xué)反應(yīng)的方向化學(xué)反應(yīng)的限度化學(xué)反應(yīng)的速率合成氨反應(yīng)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應(yīng)速率？【交流·研討】合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時(shí):△H=-92.2KJ·mol-1

△S=-198.2J·K-1·mol-1請(qǐng)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？298K下合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)K為４.１×１０６（mol·L-1)-2合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)：①可逆反應(yīng)③正反應(yīng)氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減?、苷磻?yīng)是放熱反應(yīng)②熵減小的放熱反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H

＝-92.2kJ/mol【交流·研討】請(qǐng)利用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)分析什么條件有利于氨的合成．書(shū)P651:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2___溫度、___壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)，N2、H2體積比為_(kāi)____時(shí)平衡混合物中氨的含量最高。增大降低1：31、2、催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響條件△E/KJ/molk(催)/k(無(wú))無(wú)催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167【交流·研討】ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)1、1.升高溫度增大壓強(qiáng)增大反應(yīng)物濃度使用催化劑增大N2`H2濃度,將氨及時(shí)從混合氣中分離出去2.使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬(wàn)億倍。合成氨的適宜條件的選擇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【交流·研討】研討的內(nèi)容研討的問(wèn)題

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(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？3、催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒(méi)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？化學(xué)反應(yīng)的方向化學(xué)反應(yīng)的限度化學(xué)反應(yīng)的速率合成氨反應(yīng)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應(yīng)速率？適宜的合成氨條件工藝流程化學(xué)工藝學(xué)高壓對(duì)設(shè)備材質(zhì)、加工制造的要求、溫度的催化劑活性的影響等

1、壓強(qiáng)怎么選？

分析：①合成氨反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動(dòng)，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。②但是壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動(dòng)力大，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。

綜合以上兩點(diǎn):根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng)。

2、溫度怎么選擇？分析：①因?yàn)檎磻?yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫度有利于平衡正向移動(dòng)。

②可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)到平衡所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，因此溫度也不宜太低。③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。

綜合以上因素:實(shí)際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）。

3、用不用催化劑？

實(shí)際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在700K時(shí)活性最高。

分析:

經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快，原料的利用率要高，單位時(shí)間的產(chǎn)量要高。

4、濃度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？

增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動(dòng)。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1：3時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。

實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；及時(shí)將氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)利用，使其保持一定的濃度。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)果根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng)適宜溫度

700K左右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(shí)從混合氣中分離出去【總結(jié)】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。

【小結(jié)·反思】合成氨的工業(yè)前景1、催化劑合成氨的鐵催化劑這一類合成氨催化劑以還原鐵為催化劑主要活性成分，并摻加各種促進(jìn)劑和載體的催化劑.促進(jìn)劑：稀土金屬及其氧化物關(guān)于稀土金屬及其氧化物的作用，我國(guó)也進(jìn)行了一些研究。國(guó)外也報(bào)

道了一些含釤、鋯、鈀、銠的催化劑研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)稀土金屬及其氧化物是對(duì)氨合成非常有效的促進(jìn)劑。我國(guó)有豐富的鈦、鋯、鈮等稀有金屬資源，因此，

以稀有金屬氧化物為促進(jìn)劑，有希望成為我國(guó)改進(jìn)工業(yè)合成氨的鐵催化劑的研究方向之一。

合成氨的工業(yè)前景合成氨的釕催化劑合成氨熔鐵型催化劑要在高溫、高壓和耗能高的苛刻條件下使用，且催化劑的活性并不是很高。而合成氨的釕催化劑可能是一種較好的催化劑。它在低溫低壓下活性很高，常壓下比合成氨的鐵催化劑的活性高10—20倍，且對(duì)水、CO和CO2不敏感，但合成氨的釕催化劑在高壓下未必比合成氨的鐵催化劑來(lái)得優(yōu)越。合成氨的工業(yè)前景現(xiàn)在，世界上好多國(guó)家（包括我國(guó)）的科學(xué)家，都在研究模擬生物固氮，即尋找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由兩種蛋白質(zhì)組成。一種蛋白質(zhì)（二氮酶）的分子量約22萬(wàn)，含有兩個(gè)鉬原子、32個(gè)鐵原子和32個(gè)活性硫原子；另一種蛋白質(zhì)（二氮還原酶）是由兩個(gè)分子量為29000的相同亞基構(gòu)成的，每個(gè)亞基含有4個(gè)鐵原子和4個(gè)硫原子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些金屬有機(jī)化合物有可能作為可溶性的固氮催化劑。

2.化學(xué)模擬生物固氮合成氨的工業(yè)前景氮?dú)庠谕ǔ顟B(tài)下十分穩(wěn)定，一般難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在超聲波作用下，可以使氮分子中的化學(xué)鍵削弱，從而在較溫和的條件下就可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在室溫下用超聲波輻射溶有空氣的飽和水溶液后，可以測(cè)到處理過(guò)的水中含有亞硝酸、硝酸等；如果處理溶有氮?dú)?、氫氣和一氧化碳的飽和水溶液，可以測(cè)到甲醛、氫氰酸和咪唑等物質(zhì)，這些實(shí)驗(yàn)對(duì)人工固氮的研究提供了一條新的途徑。

3.超聲波固氮：【遷移應(yīng)用】工業(yè)制造硫酸的主要反應(yīng)為:2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H=-197.8KJ/mol①SO3(g)+H2O(l)=H2SO4(aq)②反應(yīng)①的平衡常數(shù)K隨溫度升高而減小.所用催化劑的主要成分為V2O5(6％-12％)、K2SO4(17％-20％)、SiO2(50％-70％),能使催化劑中毒的物質(zhì)有砷、硒、氟等.請(qǐng)根據(jù)以上信息討論二氧化硫氧化反應(yīng)的工藝條件(溫度、壓強(qiáng)、原料氣配比等)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)硫酸的影響.書(shū)P702不同壓強(qiáng)SO2的轉(zhuǎn)化率（%）1.01×105Pa5.05×105Pa1.01×106Pa5.05×106Pa1.01×107Pa450℃97.5%98.9%99.2%99.6%99.7%500℃85.5%92.9%94.9%97.7%98.3%作業(yè):習(xí)題：書(shū)P714.5完成全優(yōu)設(shè)計(jì):P52

夯實(shí)基礎(chǔ)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。例題：已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表（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)量空氣的目是