四節(jié) 《 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化 ——工業(yè)合成氨》(-65)

1、 第2章 第四節(jié) ?化學(xué)反響條件的優(yōu)化 工業(yè)合成氨? 高中化學(xué)選修?化學(xué)反響原理?建甌一中 劉明回憶一段歷史 勒夏特列能斯特氨(NH3)理論計(jì)算：高壓條件下：N2+3H22NH3爆炸德國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家能斯特 理論計(jì)算：合成氨是不能進(jìn)行的！熱力學(xué)數(shù)據(jù)德國(guó)皇帝快找哈伯來(lái)！我要成為百萬(wàn)富翁啦！啦！1908年7月，哈伯在實(shí)驗(yàn)室用N2和H2在600，200個(gè)大氣壓下合成出氨，產(chǎn)率僅有2%德國(guó)化學(xué)家弗里茨哈伯1911年到1913年，合成了1000噸液氨，并且用它制造出3500噸烈性炸藥TNT討論1：假設(shè)你是一個(gè)工廠的廠長(zhǎng)， 對(duì)工業(yè)生產(chǎn)你主要應(yīng)考慮哪些問(wèn)題？經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益： 增大化學(xué)反響速率單位時(shí)間內(nèi)

2、產(chǎn)率高增大化學(xué)反響限度原料的利用率高 另外還要考慮生產(chǎn)中的消耗能源、原料來(lái)源、設(shè)備條件、環(huán)境保護(hù)等因素。提高綜合經(jīng)濟(jì)效益原理探討實(shí)際論證單位時(shí)間里提高合成氨的產(chǎn)量從化學(xué)反響的速率考慮提高平衡混合物中氨的含量從化學(xué)平衡的移動(dòng)考慮從生產(chǎn)本錢(qián)、動(dòng)力、材料、設(shè)備等對(duì)上述理論探討進(jìn)一步論證，以得出合理的結(jié)論。一 、合成氨反響的限度1、請(qǐng)根據(jù)正反響的焓變和熵變，分析K下合成氨反響能否自發(fā)進(jìn)行？資料：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？討論2：請(qǐng)同學(xué)們寫(xiě)出合成氨的化學(xué)反響方程式，并討論說(shuō)明這個(gè)反響方程式有什么特點(diǎn)？特點(diǎn)：a、可逆反響b、正反響放熱c、正反響是氣體體積減小的反響N2+

3、3H2 2NH3 正反響放熱到達(dá)平衡時(shí)平衡混合物中NH3的含量體積分?jǐn)?shù) V(N2):V(H2)=1:3 0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4壓強(qiáng)/MPaNH3含 量/%溫度/溫度升高，氨的含量降低壓強(qiáng)增大，氨的含量增大資料：資料：氫氮比二、合成氨反響的速率1、結(jié)合影響反響速率的因素， 思考什么條件 能使氨生成得快？升高溫度增大壓強(qiáng)增大反響物濃度使

4、用催化劑資料：交流研討 討論：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)合成氨的特點(diǎn)，從化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡兩個(gè)角度來(lái)綜合分析，合成氨應(yīng)采取什么反響條件？合成氨的反應(yīng)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)） 分析角度反應(yīng)條件使合成氨的速率快使平衡混合物中氨的含量高壓強(qiáng)溫度催化劑高壓高壓高溫低溫 使用不影響合成氨的反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng) 分析角度反應(yīng)條件使合成氨的速率快使平衡混合物中氨的含量高壓強(qiáng)溫度催化劑高壓高壓高溫低溫 使用不影響一致矛盾 既然增大壓強(qiáng)既可提高反響速率，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？ 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？思考 在合成氨工業(yè)中要使用催化劑，既然催化劑對(duì)化

5、學(xué)平衡的移動(dòng)沒(méi)有影響，為什么還要使用呢？【交流研討】 研討的內(nèi)容 研討的問(wèn)題 學(xué)習(xí)小組1、既然增大壓強(qiáng)既可提高反響速率，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？ 要不要催化劑？ 壓強(qiáng)怎么選？ 分析： 合成氨反響是體積縮小的氣體反響，增大壓強(qiáng)既可以增大反響速率，又能使平衡正向移動(dòng)，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。 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

6、合以上兩點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中壓強(qiáng)一般選擇在200500大氣壓之間。思考問(wèn)題 溫度怎么選擇？ 分析： 因?yàn)檎错懛较蚴欠艧岬姆错?，所以降低?度有利于平衡正向移動(dòng)。 可是溫度越低，反響速率越小，到達(dá)平衡所 需要的時(shí)間越長(zhǎng)，因此溫度也不宜太低。 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。思考問(wèn)題鐵觸媒催化能力資料4： 用不用催化劑？思考問(wèn)題催化劑對(duì)合成氨反響速率的影響條件 E /KJ/molK(催)/k(無(wú))無(wú)催化劑3353.41012(100k)使用Fe催化劑167 使用催化劑可使合成氨反響的速率提高上萬(wàn)億倍。資料5： 用不用催化劑？

7、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500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)反響速度要快，原料的利用率要高，單位時(shí)間的產(chǎn)量要高。思考問(wèn)題 0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4壓強(qiáng)/MPaNH3含 量/%溫度/思考問(wèn)題即使在500和30MPa時(shí)，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什

8、么方法？實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，在特定條件下，合成氨反響的速率與反響的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為 = C(N2) C1.5(H2) C-1(NH3)資料6：N2+3H2 2NH3 正反響放熱分析：保持一定的N2、H2濃度，減少氨氣的濃度，可以提高合成氨的效率和產(chǎn)量。實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化而別離出去；及時(shí)補(bǔ)充氮?dú)夂蜌錃?，使其保持一定的濃度。思考?wèn)題即使在500和30MPa時(shí)，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么方法？ 還可以在哪些方面做進(jìn)一步的改進(jìn)？ 增大反響物的濃度可以增大反響速率，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?/p>

9、的物質(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的分壓比為1：2.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。 既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率， 也不能只追求高反響速率，而應(yīng)該 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 高壓200500大氣壓 適宜溫度 700K左右使用鐵觸媒作催化劑液化氨并及時(shí)別離、補(bǔ)氮?dú)湓蠚庋h(huán) n(N2):n(H2)=1:2.8 小 結(jié)1、合成氨的工業(yè)條件的選擇反響速率和化學(xué)平衡共同作用的結(jié)果2、選擇合成氨的條件時(shí)，既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反響速率，而應(yīng)該 小結(jié)：合成氨選擇適宜生產(chǎn)條件的原那么1.既要注意外界條件對(duì)反響影響的一

10、致性， 又要注意外界條件對(duì)反響影響的矛盾性。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對(duì)溫度的限制。3.既要注意注意理論上的需要，又要注意 實(shí)際操作的可能性。 工業(yè)上利用某可逆反響生產(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：該溫度是催化劑活性最大的溫度； 選擇適宜的壓強(qiáng)：既要考慮化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡，還要考慮動(dòng)力、材料、設(shè)備等。 【小結(jié)反思】課堂反思 1、知識(shí)收獲： 2、方法收獲： 3、我的疑惑： 設(shè)想合成氨的開(kāi)展前景化學(xué)模擬生物固氮 豆科植物根部長(zhǎng)有根瘤，根瘤菌中存在固氮酶，所以豆科植物在常溫常壓下才

11、能將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨。 固氮酶很怕氧，所以整個(gè)研究過(guò)程中必須嚴(yán)格無(wú)氧，這無(wú)疑給研究增加了難度。所以時(shí)至今日，固氮酶的固氮機(jī)理之謎還沒(méi)解開(kāi)。 如果小麥、水稻也能自行固氮，那將給人類(lèi)帶來(lái)哪些方面的好處？ 可以減少農(nóng)田施用氮肥的費(fèi)用，降低糧食的生產(chǎn)本錢(qián)； 可以減少氮肥的生產(chǎn)，既有利于節(jié)省能源，又有利于防止出現(xiàn)因過(guò)量施用氮肥而造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化。 思考合成氨廠的實(shí)地照片答復(fù)以下問(wèn)題：1、合成氨生產(chǎn)時(shí)，為什么不采用盡可能高的壓強(qiáng)？通常采用21075 107Pa 的壓強(qiáng)？2、實(shí)際生產(chǎn)中，為什么溫度不能太高而采用適當(dāng)高溫 500 ？3、在高溫高壓下，為什么還要使用催化劑？4、你認(rèn)為合成氨中，氮?dú)夂蜌錃獾?/p>

12、體積比為多少最正確，為什么？思考題合成氨生產(chǎn)示意圖氫氮混和氣水冷器循環(huán)壓縮機(jī)合成氨簡(jiǎn)要流程示意圖液氨合成塔氨別離器合成氨的工業(yè)流程1、壓縮機(jī)、合成塔2、熱交換過(guò)程3、氨的別離4、循環(huán)操作過(guò)程5、流程演示氨的合成塔剖面圖返回2.合成氨工業(yè)流程閱讀教材，回答下列問(wèn)題：1、用圖式表示合成氨的流程？2、如何制得原料氣？3、為什么要對(duì)原料氣凈化？如何凈化？原料氣的制取凈化壓縮合成別離液氨解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速開(kāi)展。1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬(wàn)噸，而1982年到達(dá)1021.9萬(wàn)噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化

13、肥廠設(shè)備。我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速開(kāi)展。1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬(wàn)噸，而1982年到達(dá)1021.9萬(wàn)噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。上海吳涇化工廠是年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠南京化工企業(yè)的大型氮肥廠C課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練1.有如下平衡體系： CO（g）+2H2（g） CH3OH(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），為了增加甲醇的產(chǎn)量，應(yīng)采取的正確措施是（ ） A.高溫、高壓 B.低溫、低壓 C.適宜的溫度、

14、高壓、催化劑 D.高溫、高壓、催化劑2.以下事實(shí)中不能用勒夏特列原理來(lái)解釋的是 A.工業(yè)制硫酸的過(guò)程中通入足量的空氣,可以提高SO2的產(chǎn)率B.參加催化劑有利于合成氨反響C.高壓有利于合成氨反響D.500左右比室溫更有利于合成氨反響B(tài)D課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練 3、密閉容器中的可逆反響：CO + NO2 CO2 + NO 正反響為放熱反響。到達(dá)平衡后，只改變以下的一個(gè)條件，填寫(xiě)有關(guān)的空白： 增大容器的體積，平衡 ，cNO2將 ，反響混合物的顏色 。 升高溫度，平衡 ，體系的壓強(qiáng) 。 參加催化劑，平衡 ，NO2的物質(zhì)的量 。 通入O2，反響體系的顏色 ，NO的物質(zhì)的量 。 通入N2 ，體系壓強(qiáng) ，平衡 。

15、不移動(dòng)減小變淺逆向移動(dòng)不變不移動(dòng)不變先變深，后變淺先減少，后增多增大不移動(dòng)課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練100atm200atm300atmTN2轉(zhuǎn)化率0300atm200atm100atmTN2轉(zhuǎn)化率0TN2轉(zhuǎn)化率0100atm200atm300atmTN2轉(zhuǎn)化率0100atm200atm300atmABCDD 4、能正確反應(yīng)出：N2 ( g ) +3H2 ( g ) 2NH3 ( g ) （正反應(yīng)為放熱反應(yīng)） 的關(guān)系的是（ ）。課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練5、在密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，N2 + 3H2 2 NH3 達(dá)平衡后，當(dāng)其他條件不變時(shí)，將平衡體系中各物質(zhì)的濃度都增加到原來(lái)的2倍，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ）A、平

16、衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)B、達(dá)新平衡時(shí)，c(N2)與原平衡相比較大C、達(dá)新平衡時(shí)正、逆反應(yīng)速率均比原平衡大D、達(dá)新平衡時(shí)，混合氣體的密度變小D課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練6、某溫度下，下列反應(yīng)：S2Cl2(l)+Cl2(g) 2 SCl2(l)(正反應(yīng)放熱)（橙黃色） （鮮紅色）在密閉容器中達(dá)到平衡（氣、液共存），下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ）A、溫度不變，增大容器的體積，S2Cl2的轉(zhuǎn)化率降低B、溫度不變，縮小容器的體積，液體的顏色加深C、壓強(qiáng)不變，升高溫度，液體的顏色變淺D、體積不變，降低溫度，氯氣的轉(zhuǎn)化率降低D課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練7、在密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，N2 + 3H2 2 NH3 達(dá)平衡后，若保持溫度不變，

17、縮小容器容積，達(dá)到新的平衡時(shí)，下列敘述中正確的是（ ）NH3的濃度增大，N2、H2的濃度減小NH3的物質(zhì)的量增大，N2、H2的濃度減小H2的轉(zhuǎn)化率增大，N2的轉(zhuǎn)化率不變混合氣體的濃度增大A、 B、 C、 D、 B課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練8、以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是 A、在高溫下，將氯化銨晶體參加處于平衡狀態(tài)的合成氨反響時(shí)，平衡不發(fā)生移動(dòng)B、在密閉容器中，當(dāng)CaCO3 CaO + CO2處于平衡狀態(tài)時(shí)，再參加Na2O2固體，CaCO3的量會(huì)減少。C、有固體參加的可逆反響達(dá)平衡后，假設(shè)改變壓強(qiáng)，不會(huì)影響平衡的移動(dòng)D、在合成氨反響中，使用催化劑能提高反響速率，使氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，從而增加氨的產(chǎn)量B課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)

18、練、氨的合成反響，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?、適當(dāng)?shù)母邏?、適宜催化劑D課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練合成氨工業(yè)有以下流程：原料氣制備；氨的合成；原料氣凈化和壓縮；氨的別離。其先后順序?yàn)? )AB C D B課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練、促使化學(xué)平衡N2+3H2 2NH3+Q向右移動(dòng)的措施是 A通入惰性氣體 B通入N2C通NH3氣。 D容器體積增大B課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練1合成氨所需的 可由煤和水蒸氣反響而制得，其中一步的反響為CO + H2O CO2 + H2 正反響放熱，以下措施中，能提高CO轉(zhuǎn)化率的是 A增大壓強(qiáng) B降低溫度C增大水蒸氣濃度 D增大濃度B C、在密閉容器中，放入5mol H2，3mol N2以合成氨，平衡時(shí)生成氨為2mol，那么平衡時(shí)壓強(qiáng)是起始時(shí)壓強(qiáng)的 A1.3倍 B2倍C0.75倍 D0.25倍C.2SO2(g)+O2(g) 2