1、第2章 第四节 化学反应条件的优化工业合成氨,回顾一段历史 ,勒夏特列,能斯特,氨(NH3),理论计算： 高压条件下：,勒夏特列,德国物理学家、 化学家能斯特,理论计算：合成氨是不能进行的！,热力学数据,快找哈伯来！,我要成为百万富翁啦！啦！,1908年7月，哈伯在实验室用N2和H2在600，200个大气压下合成出氨，产率仅有2%,德国化学家 弗里茨哈伯,1911年到1913年，合成了1000吨液氨，并且用它制造出3500吨烈性炸药TNT,讨论1：假如你是一个工厂的厂长，对工业生产你主要应考虑哪些问题？,经济效益和社会效益：,增大化学反应速率,单位时间内产率高,增大化学反应限度,原料的利用率高
2、,另外还要考虑生产中的消耗能源、原料来源、设备条件、环境保护等因素。,提高综合经济效益,原理探讨,实际论证,单位时间里提高合成氨的产量,（从化学反应的速率考虑）,提高平衡混合物中氨的含量,（从化学平衡的移动考虑）,从生产成本、动力、材料、设备 等对上述理论探讨进一步论证，以得出合理的结论。,一 、合成氨反应的限度,1、请根据正反应的焓变和熵变，分析K下合成氨反应能否自发进行？,资料：交流 研讨,、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？,讨论2：请同学们写出合成氨的化学反应方程式，并讨论说明这个反应方程式有什么特点？,N2+3H2 2NH3,（正反应放热）,特点： a、可逆反应
3、b、正反应放热 c、正反应是气体体积减小的反应,达到平衡时平衡混合物中NH3的含量（体积分数） V(N2):V(H2)=1:3 ,资料：,二、合成氨反应的速率,1、结合影响反应速率的因素，思考什么条件 能使氨生成得快？,升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂,资料：交流 研讨,讨论：请同学们根据合成氨的特点，从化学反应速率和化学平衡两个角度来综合分析，合成氨应采取什么反应条件？,高压,高压,高温,低温,使用,不影响,高压,高压,高温,低温,使用,不影响,一致,矛盾,既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？,既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向
4、移动，那么生产中是否温度越低越好？,思考,在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？,【交流研讨】,1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，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？,要不要催化剂？,压强怎么选？,分析：合成氨反应是体积缩小的气体反应，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
5、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，实际生产中压强一般选择在200500大气压之间。,思考,问题,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）。,思考,问题,铁触媒催化能力,用不用催化剂？,思考,问题,催化剂对合成氨反应速率的影响,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。,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
6、触媒），它在500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。,思考,问题,思考,问题,即使在500和30MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，转化率仍不够大，还可采取什么办法？,实验表明，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),N2+3H2 2NH3,（正反应放热）,分析：保持一定的N2、H2浓度，减少氨气 的浓度，可以提高合成氨的效率和产量。,实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化而分离出去；及时补充氮气和氢气，使其保持一定的浓度。,思考
7、,问题,即使在500和30MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，转化率仍不够大，还可采取什么办法？,还可以在哪些方面做进一步的改进？,增大反应物的浓度可以增大反应速率也可以减小生成物的浓度使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，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的分压比为1：2.8时，更能促进氨的合成。,既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该,研讨的结果,高压 200500大气压,适宜温度700K左右,使用铁触媒作催化剂,液化氨并及时分离、补氮氢原料气循环 n(N2):n(H2)=1:2.8
8、,合成氨厂的实地照片,合成氨工业流程,原料气的制取,净化,压缩,合成,分离,液氨,小 结,1、合成氨的工业条件的选择 反应速率和化学平衡共同作用的结 2、选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该,合成氨选择适宜生产条件的原则,1.既要注意外界条件对反应影响的一致性， 又要注意外界条件对反应影响的矛盾性。,2.既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性；又要注意催化剂的活性对温度的限制。,3.既要注意注意理论上的需要，又要注意实际操作的可能性。,小 结,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
9、择合适的温度：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】,课 堂 反 思,1、知识收获：,2、方法收获：,3、我的疑惑：,C,2.下列事实中不能用勒夏特列原理来解释的是（ ）,A.工业制硫酸的过程中通入足量的空气,可以提高SO2的产率,B.加入催化剂有利于合成氨反应,C.高压有利于合成氨反应,D.500左右比室温更有利于合成氨反应,BD,3、密闭容器中的可逆反应：CO + NO2 CO2 + NO （正反应为放热反应）。达到平衡后，只改变下列的一个条件，填写有关的空白：,增大容器的体积，平衡 ，c（NO2）将 ，反应混合物的颜色 。升高温度，平衡 ，体系的压强 。加入催化剂，平衡 ，NO2的物质的量 。通入O2，反应体系的颜色 ，NO的物质的量 。通入N2 ，体系压强 ，平衡 。,不移动,减小,变浅,逆向移动,不变,不移动,不变,先变深，后变浅,先减少，后增多,增大,不移动,
