2.4化學(xué)反應(yīng)條件的調(diào)控-《工業(yè)合成氨》 課件【知識(shí)精研】高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1

工業(yè)合成氨第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控[圖片]民以食為天糧食增產(chǎn)吃不飽吃的飽如何使糧食增產(chǎn)呢？禾下乘涼夢(mèng)改良品種糧食危機(jī)肥料

制氮肥的原料環(huán)節(jié)一——構(gòu)建化工生產(chǎn)主反應(yīng)選擇思路1898年，英國(guó)科學(xué)家克魯克斯發(fā)出了“向空氣要氮肥”的號(hào)召氮的固定N2氮肥4回顧學(xué)過(guò)的固氮反應(yīng)，哪個(gè)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)?高能固氮生物固氮N2+O2=2NON2+3H22NH351.NH3

可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為

被植物吸收和利用;2.該反應(yīng)原料來(lái)源豐富;3.合成氨反應(yīng)ΔH＜0，ΔS＜0，低溫下反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行;

4.該反應(yīng)在常溫下反應(yīng)限度較大。著名化學(xué)家、中科院資深院士2008年國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者假如沒(méi)有發(fā)明合成氨，以及第一、第二、第三代新農(nóng)藥的技術(shù)，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，60億人口中的30億會(huì)被餓死?！旃鈶椚绾握{(diào)控反應(yīng)條件使它滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)的要求呢?環(huán)節(jié)一——構(gòu)建化工生產(chǎn)主反應(yīng)選擇思路環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1

假如現(xiàn)在你是上世紀(jì)工廠(chǎng)的一名老板，你將要完成合成氨的偉大任務(wù)，作為負(fù)責(zé)人在工業(yè)生產(chǎn)為了提高經(jīng)濟(jì)效益你首先需要考慮那些問(wèn)題？環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1多快好省

熱力學(xué)→平衡(平衡常數(shù)K、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率)

動(dòng)力學(xué)→速率(速率常數(shù)K、反應(yīng)歷程)節(jié)約成本、能耗、物料循環(huán)等綠色環(huán)保、安全、技術(shù)工藝等理論知識(shí)工業(yè)實(shí)際催化劑溫度濃度壓強(qiáng)綜合優(yōu)化條件……如何調(diào)控反應(yīng)條件使它滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)的要求呢?如何選擇反應(yīng)條件以增大合成氨的反應(yīng)速率，提高平衡混合物中氨的含量？對(duì)合成氨反應(yīng)的影響影

響

因

素濃度溫度壓強(qiáng)催化劑增大合成氨的反應(yīng)速率提高平衡混合物中氨的含量增大升高增大使用增大降低增大無(wú)影響合成氨反應(yīng)是放熱的、氣體體積縮小的可逆反應(yīng)。任務(wù)二：合成氨條件的選擇根據(jù)數(shù)據(jù)分析合成氨的條件N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H=-92.4KJ·mol-1分析表中數(shù)據(jù)：壓強(qiáng)相等時(shí)，溫度越低，平衡時(shí)氨的含量越高；

溫度相等時(shí)，壓強(qiáng)越大，平衡時(shí)氨的含量越高。降溫加壓環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1壓強(qiáng)的選擇：一般采用10~30Mpa，為什么不采用＞30Mpa的壓強(qiáng)？

壓強(qiáng)越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求也越高，需要的動(dòng)力也越大，這會(huì)加大生產(chǎn)投資，可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。圖2-11

400℃下平衡時(shí)氨的體積分?jǐn)?shù)隨壓強(qiáng)的變化示意圖壓強(qiáng)增大，氨的含量增大，合成氨的反應(yīng)速率加快。選擇生產(chǎn)條件的原則：既要注意理論上的需要，又要注意實(shí)際操作上的可能性?！酒胶?、速率角度一致】環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1溫度的選擇【平衡、速率角度矛盾】圖2-12

10MPa下平衡時(shí)氨的體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化示意圖低溫能提高平衡轉(zhuǎn)化率，但速率慢，到達(dá)平衡時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益差。高溫能提高速率，但轉(zhuǎn)化率小。環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1溫度的選擇如何面對(duì)從理論上分析溫度對(duì)于限度和速率的影響相互矛盾的問(wèn)題?工業(yè)生產(chǎn)追求的目標(biāo)：?jiǎn)挝粫r(shí)間產(chǎn)率最大化【點(diǎn)睛】速率和限度是工業(yè)生產(chǎn)需要考慮的兩大核心因素，我們需要統(tǒng)籌兼顧，當(dāng)二者發(fā)生矛盾時(shí)，優(yōu)先調(diào)控反應(yīng)速率，并遵循催化劑活性最大化的原則。一般采用400~500℃【平衡、速率角度矛盾】催化劑鐵觸媒在500℃左右時(shí)活性最大。環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1催化劑的選擇鋨或用鈾—碳化鈾作催化劑鋨：效果好，但儲(chǔ)量極少且鋨蒸汽有劇毒。鈾：價(jià)格昂貴，性質(zhì)過(guò)于敏感尋找廉價(jià)、安全、穩(wěn)定的催化劑。20000次試驗(yàn)，2500種不同配方，最終選用活化溫度700K左右的含鉛鎂促進(jìn)劑的鐵觸媒。德國(guó)化學(xué)家弗里茨·哈伯1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)德國(guó)工業(yè)化學(xué)家卡爾·博施1931年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1催化劑的選擇普遍使用鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑)圖：相同時(shí)間內(nèi)氨的含量與溫度、催化劑的關(guān)系②混有的雜質(zhì)使催化劑“中毒”，

原料氣必須經(jīng)過(guò)凈化。①鐵觸媒在500℃左右時(shí)的活性最大。環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1催化劑的選擇普遍使用鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑)催化劑參與下合成氨反應(yīng)能量-反應(yīng)歷程圖催化劑可以改變反應(yīng)歷程，從而降低反應(yīng)的活化能，大大提高反應(yīng)速率。環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1催化劑的選擇普遍使用鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑)多個(gè)峰的含義？1.加入催化劑之后，活化能大大降低;

2.加入催化劑之后，產(chǎn)生了幾個(gè)小峰，說(shuō)明發(fā)生了幾個(gè)反應(yīng)。計(jì)算機(jī)模擬的鐵觸媒參與下合成氨反應(yīng)能量-反應(yīng)歷程圖擴(kuò)散→吸附→表面反應(yīng)→脫附→擴(kuò)散理解催化劑作用下的反應(yīng)歷程吸附表面反應(yīng)脫附斷鍵成鍵吸附脫附擴(kuò)散→吸附→表面反應(yīng)→脫附→擴(kuò)散理解催化劑作用下的反應(yīng)歷程脫附：NH3(ad)→NH3(g)吸附：N2(g)→N2(ad)

H2(g)→H2(ad)表面反應(yīng)：N2(ad)→2N(ad)H2(ad)→2H(ad)N(ad)+H(ad)→NH(ad)NH(ad)+H(ad)→NH2(ad)NH2(ad)+H(ad)→NH3(ad)決速步驟吸附表面反應(yīng)脫附?jīng)Q速步驟1.增加N2的濃度(分壓)

，從而增加N2的吸附濃度，加快決速步驟的反應(yīng)速率。2.及時(shí)移走生成的NH3，為N2和H2騰出更多可供吸附的催化劑表面空間。擴(kuò)散→吸附→表面反應(yīng)→脫附→擴(kuò)散理解催化劑作用下的反應(yīng)歷程環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1濃度的選擇圖：某壓強(qiáng)、溫度下，不同N2和H2的體積比與平衡時(shí)氨含量關(guān)系一般采用n(N2)∶n(H2)=1∶2.8①?gòu)钠胶饨嵌确治?，n(N2)∶n(H2)=1∶3時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，氨氣百分含量最多。但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高N2的濃度，從而增加N2的吸附濃度，加快決速步驟的反應(yīng)速率。即n(N2)∶n(H2)=1∶2.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。增加N2的濃度還可以提高H2的轉(zhuǎn)化率歸納總結(jié)外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑濃度依據(jù)設(shè)備耐壓性及綜合指標(biāo)等因素10-30MPa依據(jù)催化劑活性等因素400-500℃左右使用鐵觸媒作催化劑n(N2)∶n(H2)=1∶2.8，分離氨氣環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝?92.4kJ?mol?1綜上所述，工業(yè)上通常采用鐵觸媒、在400~500℃和10MPa～30MPa的條件下合成氨。作為合成氨的工程師，請(qǐng)你提出其他可以提高N2、H2轉(zhuǎn)化率的方法！教材P49頁(yè)環(huán)節(jié)二——選擇合成氨反應(yīng)條件圖2-13：合成氨生產(chǎn)流程示意圖防止催化劑“中毒”，原料氣必須經(jīng)過(guò)凈化催化劑活性最大分離產(chǎn)物原料循環(huán)利用實(shí)際工業(yè)簡(jiǎn)要流程造氣、凈化、合成氨防催化劑中毒凈化壓縮合成分離H2:N2（2.8:1)造氣液氨N2和H2循環(huán)利用冷凝合成氨與三次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

合成氨的過(guò)去“合成氨”里的中國(guó)人：2016年中科院大連化學(xué)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)研制合成了一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強(qiáng)分別降到了350℃、1MPa

。

更加節(jié)能、降低成本

合成氨的現(xiàn)在這是近年來(lái)合成氨反應(yīng)研究中的重要突破,為發(fā)展節(jié)能的催化劑提供了新的思路?？偨Y(jié)工業(yè)生產(chǎn)中調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的一般思路和方法。環(huán)節(jié)三——構(gòu)建調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的思維模型類(lèi)價(jià)二維熱力學(xué)計(jì)算熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)平衡移動(dòng)（定性、定量）化學(xué)反應(yīng)速率（定性、定量）溫度催化劑條件選擇條件優(yōu)化定性定量平衡常數(shù)K、Kp

轉(zhuǎn)化率α

活化能Ea速率常數(shù)k多快好省反應(yīng)設(shè)計(jì)定性定量結(jié)合調(diào)控主副反應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)綠色工藝、安全、技術(shù)等工業(yè)設(shè)備成本、能耗、物料循環(huán)等價(jià)類(lèi)二維熱力學(xué)計(jì)算熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)平衡移動(dòng)（定性、定量）化學(xué)反應(yīng)速率（定性、定量）催化劑條件選擇條件優(yōu)化定性定量平衡常數(shù)K、Kp

轉(zhuǎn)化率α

活化能Ea速率常數(shù)k多快好省反應(yīng)設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)綠色工藝、安全、技術(shù)等工業(yè)設(shè)備成本、能耗、物料循環(huán)等學(xué)科思想ΔH－TΔS濃度（氣體壓強(qiáng)）可自發(fā)2025/2/2533環(huán)節(jié)三——構(gòu)建調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的思維模型模型應(yīng)用(1)應(yīng)選擇的溫度是________，理由是

。溫度不同壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3450℃該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，轉(zhuǎn)化率降低；在450℃反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率較高已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)

ΔH<0的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表:環(huán)節(jié)三——構(gòu)建調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的思維模型(2)應(yīng)采用的壓強(qiáng)是________，理由是：(3)在合成SO3的過(guò)程中，不需要分離出SO3的原因是：(4)生產(chǎn)中通入過(guò)量空氣的目的是_____________________________。1×105Pa