高中化學(xué) 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)合成氨課件2 魯科版選修4-魯科版高中選修4化學(xué)課件

1、 化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)N N2(g)2(g)+3H+3H2(g)2(g) 2NH 2NH3(g)3(g)看起來十看起來十分的簡單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會經(jīng)歷分的簡單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會經(jīng)歷如此漫長的過程？合成氨工廠為什么需要那么如此漫長的過程？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？龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件？ 合成氨技術(shù)的發(fā)明使工業(yè)化人工固氮成為合成氨技術(shù)的發(fā)明使工業(yè)化人工固氮成為現(xiàn)實。要實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，必須從化現(xiàn)實。要實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，必須從化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)兩個方面選擇合成氨的學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)兩個方面選擇合成氨的反應(yīng)條件。反應(yīng)

2、條件。 經(jīng)濟效益和社會效益經(jīng)濟效益和社會效益 ： 增大化學(xué)反應(yīng)速率增大化學(xué)反應(yīng)速率單位時間內(nèi)產(chǎn)率高單位時間內(nèi)產(chǎn)率高增大化學(xué)反應(yīng)限度增大化學(xué)反應(yīng)限度原料的利用率高原料的利用率高【問題問題】分析工業(yè)生產(chǎn)主要要考慮哪些問分析工業(yè)生產(chǎn)主要要考慮哪些問 題？題？另外還要考慮生產(chǎn)中的另外還要考慮生產(chǎn)中的消耗能源消耗能源、原料來源原料來源、設(shè)備條件設(shè)備條件、環(huán)境保護環(huán)境保護等因素。等因素。復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些的重要因素有哪些? 化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)反應(yīng)速率 化學(xué)平衡化學(xué)平衡 溫度溫度氣體壓強氣體壓強催化劑催化劑濃度濃度溫度越高溫度越高,反應(yīng)速反應(yīng)速率越大率

3、越大壓強越大壓強越大,反應(yīng)速反應(yīng)速率越大率越大正催化劑加快反應(yīng)正催化劑加快反應(yīng)速率速率反應(yīng)物濃度越大反應(yīng)物濃度越大,反反應(yīng)速率越大應(yīng)速率越大升高溫度升高溫度,平衡向吸平衡向吸熱反應(yīng)方向移動熱反應(yīng)方向移動增大壓強增大壓強,平衡向氣體平衡向氣體體積減小的方向移動體積減小的方向移動催化劑對平衡無影響催化劑對平衡無影響增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度,平平衡正移動衡正移動 合成氨反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)合成氨反應(yīng)是一個可逆反應(yīng):N:N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) (g) 2NH2NH3 3(g)(g)已知已知298K298K時，時，H=-92.2KJH=-92.2KJmolmol-1 -1 S=-

4、198.2JS=-198.2JK K-1-1molmol-1-11、請根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析、請根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析298K下合下合成氨反應(yīng)是否自發(fā)進行。成氨反應(yīng)是否自發(fā)進行。2、請利用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合、請利用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的合適條件。成氨的合適條件?！窘涣鹘涣餮杏懷杏憽恳?、一、合成氨的反應(yīng)限度合成氨的反應(yīng)限度氫氮比氫氮比平衡時平衡時NHNH3 3含量含量不同條件下平衡混合氣中氨的含量不同條件下平衡混合氣中氨的含量(體積分數(shù)體積分數(shù)) (原料其中原料其中N2和和H2的體積比是的體積比是1:3 )31.457.579.892.698.81108Pa

5、23.142.265.284.295.46107Pa9.119.138.264.286.42107Pa4.510.625.152.081.51107Pa13.826.447.071.089.93107Pa0.050.10.42.215.3 1105Pa 4000C 6000C 5000C 3000C 2000C壓壓強強氨氨含含量量溫溫 度度二二、合成氨反應(yīng)的速率合成氨反應(yīng)的速率交流交流研討研討1.1.你認為可以通過控制哪些反應(yīng)條件來你認為可以通過控制哪些反應(yīng)條件來提高合成氨反應(yīng)的速率提高合成氨反應(yīng)的速率? ?2、實驗表明，在特定條件下，合成氨反、實驗表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的

6、物質(zhì)的濃度的關(guān)系為應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為 =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)請你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的請你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃度濃度對對反反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？提高反應(yīng)速率？3、請你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對合、請你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響：成氨反應(yīng)速率的影響：催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響條件條件 E /KJ/molK(催催)/k(無無)無催化劑無催化劑3353.41012(100k)使用使用Fe催化劑催化劑1671 1、催化劑能降低反應(yīng)的活

7、化能、增大速率常數(shù)、催化劑能降低反應(yīng)的活化能、增大速率常數(shù)2 2、使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬、使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。億倍。第第6767頁頁1 1、填寫表格、填寫表格2 2、請嘗試為合成氨選擇合適的條件、請嘗試為合成氨選擇合適的條件【交流交流研討研討】提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率性 質(zhì)措 施放熱反應(yīng)正向分子數(shù)減小反應(yīng)可逆未參與反應(yīng)的原料氣應(yīng)循環(huán)使用未參與反應(yīng)的原料氣應(yīng)循環(huán)使用加壓有利加壓有利, ,反應(yīng)器材質(zhì)要求高反應(yīng)器材質(zhì)要求高低溫有利低溫有利, ,熱量回收熱量回收, ,綜合利用綜合利用提高化學(xué)反應(yīng)速率活化能高低溫時反應(yīng)速率低原料氣增加能提高反應(yīng)速率氨氣濃度增加能降低反

8、應(yīng)速率研究提高氮活性的催化劑研究提高氮活性的催化劑升高反應(yīng)溫度升高反應(yīng)溫度增加原料氣濃度增加原料氣濃度, ,此反應(yīng)此反應(yīng)為加壓為加壓及時將氨氣移走及時將氨氣移走生成生成氨的濃度氨的濃度反應(yīng)物的濃度反應(yīng)物的濃度催化劑催化劑溫度溫度壓強壓強速率分析速率分析提高反應(yīng)速率提高反應(yīng)速率外界條件外界條件高壓高壓高溫高溫使用使用增大濃度增大濃度減小濃度減小濃度平衡分析平衡分析提高轉(zhuǎn)化率提高轉(zhuǎn)化率高壓高壓低溫低溫?zé)o影響無影響增大濃度增大濃度減小濃度減小濃度小結(jié)：小結(jié)：選擇適宜生產(chǎn)條件的原則：選擇適宜生產(chǎn)條件的原則：(1)(1)既要注意外界條件對二者影響一致性既要注意外界條件對二者影響一致性, ,又要注意對二者

9、影響的矛盾性。又要注意對二者影響的矛盾性。(2)(2)既要注意溫度、催化劑對速率影響的一既要注意溫度、催化劑對速率影響的一致性致性, ,又要注意催化劑的活性對溫度的限制。又要注意催化劑的活性對溫度的限制。(3)(3)既要注意理論上的需要既要注意理論上的需要, ,又要注意實際又要注意實際可能性。可能性。 研討的內(nèi)容研討的內(nèi)容研討的問題研討的問題 1、既然增大壓強既可提高反、既然增大壓強既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好？越大越好？壓強怎么定？壓強怎么定？2、既然降低溫度有利于平衡、既然降低溫度有利于平衡向生成

10、氨的方向移動，那么向生成氨的方向移動，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？生產(chǎn)中是否溫度越低越好？3、 催化劑對化學(xué)平衡的移動催化劑對化學(xué)平衡的移動沒有影響，沒有影響， 在合成氨工業(yè)中要在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑不要使用催化劑，為什么？，為什么？溫度怎溫度怎么選擇？么選擇？要不要用要不要用催化劑？催化劑？濃度怎么定？濃度怎么定？H H2 2和和N N2 2的比例怎么定？的比例怎么定？討論：討論：能否用過量氮氣提高氫氣轉(zhuǎn)能否用過量氮氣提高氫氣轉(zhuǎn)化率？工業(yè)合成氨是否采用此方法？化率？工業(yè)合成氨是否采用此方法？1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2外部條件外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強壓強溫度溫度催化劑催化劑濃度濃度研討的結(jié)果研討的結(jié)果 適宜溫度適宜溫度 700K左右左右使用鐵觸媒作催化劑使用鐵觸媒