2018年高中化学第2章化学反应的方向、限度与速率2.4化学反应条件的优化——工业合成氨课件9鲁科版选修4.ppt

1、第二章 第4节,化学反应条件的优化-工业合成氨,合成氨工厂一角,N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g),弗里茨哈伯：,用空气制造面包的天使,自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨。德国化学家哈伯带领科研团队也从1902年开始研究氨的直接合成。但直到1913年才实现了氨的工业生产。,弗里茨哈伯与合成氨,合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂-铁，使合成氨的设想在19

2、13年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。,我们一起来探究和合成氨的条件的选择？,回顾：氨气的实验室制法（课本P79页）,1、实验室制备 （1）原理： （2）装置： （3）收集： （4）干燥：,2NH4Cl+Ca(OH)2 = CaCl2+2NH3+2H2O,固固加热型（与制O2相同）,向下排空气法,碱石灰,【交流研讨1】,合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),已知298K时: H= -92.2KJmol-1S = -198.2JK-1mol-1 请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应 能否自发进行？

3、,298K下合成氨反应的平衡常数K为.（molL-1)-2,化学反应方向,【交流研讨2】,请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？,化学平衡角度,数据一 压强对 氨气百分数的影响,数据二N2H2体积比对产率的影响,_温度、_压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为_时平衡混合物中氨的含量最高。,增大,降低,1：3,【小结1】,【交流研讨3】,1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？,2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:, =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3),请同学们根据关系式分析：各物质的浓度对反应

4、速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？,化学反应速率角度,3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：,催化剂对合成氨反应速率的影响,1.升高温度 2.增大压强 3.增大反应物浓度 4.使用催化剂,5.增大N2 H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。,【小结2】,合成氨的适宜条件的选择,生成物氨的浓度,反应物的浓度,催化剂,温度,压强,速率分析,使NH3生产得快,外界条件,高压,高温,使用,增大浓度,减小浓度,平衡分析,使NH3生产得多,高压,低温,无影响,增大浓度,减小浓度,1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产

5、量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？,压强怎么定？,2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？,3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？,温度怎么选择？,要不要用催化剂？,【交流研讨4】,工业流程角度,1、压强怎么选？,分析：合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。,综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在200

6、500大气压之间。,2、温度怎么选择？,分析：因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。,可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。,催化剂要在一定温度下催化活性最大。,综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。,3、用不用催化剂？,实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。,分析:经济效益和社会效益要求化学反应速度要快， 原料的利用率要高，单位时间的产量要高。,4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？,增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化

7、学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。,实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1：2.8,根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强,适宜温度700K左右,使用铁触媒作催化剂,N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去,【小结3】,【小结4】,工业上利用某可逆反应生产产品：一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；选择合

8、适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。,【小结反思】,二、合成氨工业简述：,1、主要流程：,2、原料气制取：,制氮气:,（造气）,（净化）,（合成氨）,制氢气:,CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g),H2O(气),合成氨工厂一角,合成氨工厂一角,我国合成氨工业的发展情况：,我国合成氨工业开始于20世纪30年代，1949年新中国成立时合成氨厂只有3家，年生产能力不到0.6万吨。经过几十年的努力，我国已经拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000

9、多家；到2000年，合成氨年产量达到3363.7万吨，从生产能力和产量上都位居世界前列。,为了提高合成氨生产的能力，还可以在哪些方面做进一步改进？,抗毒能力强的新型催化剂,仿生固氮酶催化剂,【能力提高】,反馈练习,D,1.工业合成氨反应是700 K左右进行的，这主要原因是（ ） 700 K 时氨的平衡浓度最大 700 K 时此反应速率最快 C.700 K 时氨的转化率最高 D.700 K 该反应的催化剂能发挥最大的作用,反馈练习,AD,2. 在合成氨工业中，下列操作使平衡向右移动的是( ) （A）不断将NH3分离出来 （B）使用催化剂 （C）采用700K左右的高温 （D）采用21075107Pa的压强,下课了！,