1、第4节 化学反应条件的优化工业合成氨,【工业合成氨的发展历史】,Fritz-Haber (1868-1934) Nobel Prize 1918 实验室合成氨,Carl Bosch (1874-1940) Nobel Prize 1931 实现工业合成氨,Gerhard Ertl Nobel Prize 2007 对合成氨机理进行了实证研究,1784年发现氨,1913年实现氨的工业化,给全人类带来了福音。,N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),1907年德国化学家哈伯第一次在实验室成功制取了氨。,学习目标,1.通过小组讨论，能应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。 2.通过对
2、合成氨适宜条件的分析，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异，并归纳出分析化工生产条件的思路和方法。 3.通过认识化学反应原理在合成氨工业生产中的重要作用，提升对化学反应价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。,学习过程,【问题探究一】,合成氨反应的限度和速率,【问题探究二】,合成氨的适宜条件,早在19世纪以前，英国物理学家克鲁克斯率先发出了“向空气中要氮肥”的号召。空气中富含现成的氮气和氧气，而氢气需要人工制备，为什么科学家不选择氮气和氧气，而选择氮气和氢气去合成氨呢？,思考, 声音洪亮，条理清楚 口头表述清晰流畅，能够解答质疑,展示要求,5分钟,【问题探究一】 合成氨反应的
3、限度和速率,问题1 合成氨反应的限度 材料1：合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)已知298K时：H=92.2 kJmol-1，S=198.2 JK-1mol-1,表1 合成氨平衡混合气中氨的体积分数 （原料气中氮氢体积比为1:3）,根据以上信息，回答下列问题： 1. 结合表1，利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。 2. N2、H2体积比为_时平衡混合物中氨的含量最高。 3.除此之外，还可以改变什么条件有利于氨的合成呢？,图1 原料投料比对平衡混合气中 氨的体积分数的影响,问题2 合成氨反应速率,材料1：实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率
4、与反应的物质的浓度的关系为: =kc(N2)c1. 5(H2)c1(NH3)。材料2：表2 催化剂对合成氨反应速率的影响,根据以上信息，回答下列问题： 1.根据材料1，可以采取哪些措施来提高反应速率？ 2.根据材料2，分析催化剂对合成氨反应速率的影响？ 3.结合已学知识和材料，你认为可以通过控制哪些条件来提高合成氨反应的速率？,增大压强,升高温度,使用,增大反应物浓度,增大压强,降低温度,无影响,增大反应物浓度,【小结】根据以上理论分析，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？,减小生成物的浓度,减小生成物的浓度,1907年德国化学家哈伯等人在实验室选择锇为催化剂，温度约600，20
5、0个大气压的不寻常的高压条件下，第一次成功制取了氨。 获得1918年诺贝尔化学奖。,Fritz-Haber,合成氨是哈伯一生最大的成就，尽管实验室制得NH3，但氨的平衡含量很低，并没有马上得到工业界的青睐。他的研究步入低谷，合作伙伴中途撤资，竞争对手冷嘲热讽。哈伯没有气馁，他坚信：若能使N2、H2在高压下循环加工，并从循环系统中不断分离，在工业上肯定会有价值，著名的“哈伯循环”成功问世。 赞扬他的人说他是天使用空气制造面包;诅咒他的人称他为魔鬼开化学武器之先河。,（1）尽可能提高反应混合物中所需物质的百分含量；,（2）尽可能缩短反应到达平衡所需要的时间；,（3）尽可能降低对耐高温高压设备所需材
6、料的要求。,(4)符合绿色化学理念(一是注意环境保护 二是原子利用率接近百分之百),假如你是一家合成氨的BOSS，选择工业合成氨适宜条件时主要考虑的哪些因素？,【资料一】锇是一种贵重金属，储量较少，开发成本高，粉末状的金属锇，常温下会逐渐氧化成四氧化锇。四氧化锇在48时熔化，在130时沸腾。锇蒸汽有剧毒，强烈刺激人眼黏膜，严重会造成失明。 【资料二】高温高压条件下，氢气会使钢脱碳，会导致“氢腐蚀”。氢腐蚀有2种形式：（1）氢气与钢表面的碳结合，引起表面脱碳，使机械性能恶化；（2）氢气渗透到钢材内部，与碳化合生成甲烷，在钢材内部造成裂纹。当时的试验情况是，尽管反应塔壁厚达3cm，也仅仅使用3天就
7、破裂了。 【资料三】当氮气与氢气体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高，但是氮气在催化剂上吸附是反应中最难发生的步骤，是影响反应速率的关键步骤。 【资料四】催化剂铁触媒在不同温度下活性不同。,寻找合适的催化剂，降低成本,制造耐高温高压设备,调整氮、氢比例,选择合适的温度,你可能不知道, 声音洪亮，条理清楚 口头表述清晰流畅，能够解答质疑,展示要求,5分钟,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
8、使用催化剂，为什么？,温度怎么选择？,要不要用 催化剂？,【问题探究二】 合成氨的适宜条件,选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。,1:2.8时更能加快合成氨反应进行，同时提高催化剂的吸附速率。,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200500大气压之间。,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）。,博施,【博施团队工业合成氨适宜条件】,当时德国最大的化工企业BASF公司买下哈伯合成氨专利后，组织以化学工程师博施为首的工程技术团队付诸实施，将其转化为工业生产力。 博施先后试验了2500种配方，进行了6500次实验，
9、终于确定了使用铁触媒作为工业合成氨的催化剂。 经过多次试验后，博施用含碳量极低档次熟铁作为反应塔的衬里，并在钢壁上开许多小孔让透过熟铁出来的氢气跑掉，1913年双层反应塔终于诞生了。 鉴于他在发展高压化学方面取得的成就，荣获1932年度的诺贝尔化学奖。,【实验室合成氨的条件】,哈伯,博施,课堂小结,方法引导,工业生产条件的选择与优化一般思路与方法：,（1）条件的选择反应速率和化学平衡共同作用的结果。,（2）既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。,（3）考虑原料的价格、未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。,450,典例分析,1. 从理论上分析，为了使二氧化硫的尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是_。 2. 实际生产中，选定的温度_。 3. 实际生产中，采用的压强为常压，其原因是_。,低温高压,课堂练习,1. 关于合成氨的反应，下列说法正确的是（ ）A温度越高，反应速率越快，所以合成氨反应的温度越高越好B压强越大合成氨反应速率越大，工业上不采用过高的压强主要是考虑反应的限度问题C使用催化剂可以提高单位时间内氨气的产量D浓度越大，反应速率越快，所以不必把氨从混合物中分离出来,C,布置作业,步步高：小本第二章 训练9,感谢指导！,
