化學反應條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨課件上學期高二化學選擇性必修

不平凡的魚化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨學習目標01了解氨反應的限度02通過分析化學反應的限度和速率，選擇合適的反應條件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。用空氣制造面包的人弗里茨·哈伯

19世紀以前，一些有遠見的化學家指出：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家能實現大氣固氮。因此將空氣中豐富的氮固定下來并轉化為可被利用的形式，在20世紀初成為一項受到眾多科學家注目和關切的重大課題。合成氨從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產經歷了約150年的時間。德國科學家哈伯在10年的時間內進行了無數次的探索，單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑，2年間他們就進行了多達6500次試驗，測試了2500種不同的配方，最后選定了一種合適的催化劑，使合成氨的設想在1913年成為工業(yè)現實，滿足了20世紀人口由30億增至60億對糧食的需求，因此人們贊揚哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。鑒于合成氨工業(yè)的實現，瑞典皇家科學院于1918年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學獎。合成氨工藝流程圖合成氨工廠一角化學反應N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)看起來十分簡單，為什么合成氨的工業(yè)化生產會經歷如此漫長的發(fā)展過程?合成氨工廠為什么需要那么龐大而復雜的生產設備和特殊的生產條件?聯想·質疑思考方向0102化學反應的限度03化學反應的速率合成氨的適宜條件的選擇化學反應的限度HISTORYOFDEVELOPMENT011、合成氨的反應的原理及特點合成氨反應是一個可逆反應:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)298K時:△H=-92.2KJ·mol-1

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

）J·mol-1＜0①可逆反應③正反應氣體體積縮?、苷磻欠艧岱磻陟販p小的反應特點：2、合成氨的反應的限度合成氨反應的目的：提高氨的產率，即使反應最大程度的向右進行，提高反應物的轉化率。合成氨反應是一個可逆反應:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)298K時:△H=-92.2KJ·mol-1

，△S=-198.2J·K-1·mol-1如何從溫度、濃度、壓強角度提高合成氨的產率？根據反應特點,結合勒夏特列原理分析因素反應特點相應措施溫度濃度壓強放熱正向反應分子數減小低溫高壓增加反應物濃度，分離出NH3進一步研究發(fā)現，在一定的溫度、壓強下氮氣、氫氣的體積比為1:3時平衡混合物中氨的含量最高。歸納總結實際生產N2和H2的物質的量比為1：的投料比；及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；將氮氣和氫氣循環(huán)利用。反應條件低溫、高壓、增加反應物濃度、分離出NH3c(N2):c(H2)=1:3目標：工業(yè)生產希望反應速率越大越好N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)△H=-92.2kJ·mol-1

資料1.合成氨反應速率與參與反應的物質濃度的關系式為：υ=kc(N2)

·c(H2)·c-1(NH3)結論：1、氨的合成反應的速率與氮氣濃度的1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.應在反應達到一定轉化率時，將氨從混合氣中分離出去。催化劑對氨的合成反應速率的影響

結論：使用催化劑可以使合成氨反應的速率提高上萬億倍。因此，要實現合成氨的工業(yè)化生產，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，氮氣與氫氣合成氨的反應是在催化劑表面上進行的。這是一個復雜的過程，一般要經歷反應物擴散至催化劑表面、吸附在催化劑表面、發(fā)生表面反應、產物從催化劑表面脫附、產物擴散離開反應區(qū)等五個步驟。結論：P86從溫度、濃度、壓強、催化劑角度提高合成氨的速率因素反應特點相應措施溫度濃度壓強催化劑活化能高高溫高壓增加反應物濃度，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·研討提高反應的轉化率提高反應的速率反應特點措施反應特點措施放熱活化能高正反應分子數減少低溫時反應速率低反應可逆原料氣濃度增大能提高反應速率氨氣濃度增大能降低反應速率1.根據氨的合成反應的特點，應分別采取什么措施提高該反應的平衡轉化率和反應速率?將有關建議填入表格中。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選擇適宜條件生成物氨的濃度反應物的濃度催化劑溫度壓強速率分析使NH3生產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生產得多高壓低溫無影響增大濃度減小濃度反應物的濃度催化劑溫度壓強使NH3生產得快外界條件使NH3生產得多？實踐是檢驗真理的唯一標準問題1，合成氨時壓強越大越好，為什么實際生產中不選擇比3.0*104kpa？問題2，合成氨時溫度越低越好，為什么實際生產中不選擇低溫生產？問題3，合成氨時為什么要對氮氣和氫氣提純，且物質的量執(zhí)筆為1：歸納總結外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑濃度根據反應器可使用的鋼材質量及綜合指標來選擇壓強，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的物質的量比為1：的投料比,氨及時從混合氣中分離出去魚和熊掌不可兼得工業(yè)上利用某可逆反應生產產品：一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學反應速率，提高生產效率，也提高了經濟效益；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：既要考慮化學反應速率和化學平衡，還要考慮動力、材料、設備等。課堂練習1、對于合成氨工業(yè)，只從提高原料轉化率看，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)生產中發(fā)生反應：2A(g)＋B(g)?2M(g)ΔH<0。下列有關該工業(yè)生產的說法正確的是(

)A．工業(yè)上合成M時，一定采用高壓條件，因為高壓有利于M的生成B．若物質B價廉易得，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，反應物的轉化率越高D．工業(yè)生產中常采用催化劑，因為生產中使用催化劑可提高M的日產量D(1)應選擇的溫度是________，理由是

。3、已知2SO2(g)＋O2(g)

2SO3(g)ΔH<0的實驗數據如下表：溫度不同壓強下SO2的轉化率(%)1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3450℃該反應是放熱反應，升高溫度，轉化率降低；在450℃反應