資源簡介

(共21張PPT)
巴以沖突
1898年英國物理學家克魯克斯“先天下之憂而憂”，率先發出“向空氣要氮肥”的號召，從此從此科學家們前仆后繼展開了向空氣要氮肥的研究…………
重走固氮路 共圓科學夢
任務一：設計獲得氮肥的路徑
路徑一：電弧固氮法
路徑二：合成氨法
活動一
根據N的價類二維圖分析獲得氮肥的路徑
途徑一：N2(g)+O2(g)==2NO(g)
△H= +180.5KJ·mol-1 △S =+247.7J·K-1·mol-1
途徑二：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
△H= -92.4KJ·mol-1 △S = -198.2J·K-1·mol-1
任務一：設計獲得氮肥的路徑
活動二
利用已知知識分析兩種固氮的自發性
高溫自發
低溫自發
資料一
卡文迪許已經發現用電火花可以讓空氣中的氧氣和氮氣化合成一氧化氮，但在那個只有直流電的世界里，這種電化學的投入與產出不成正比。
當時的化學理論已經發現了可逆反應，有了勒夏特列定律做指導。哈伯開始想，如果氨可以在高溫下分解，那么氫氣和氮氣也可以在高溫下生成氨氣。
任務一：設計獲得氮肥的路徑
活動三
分析獲得氮肥的最佳路徑
途徑一：N2(g)+O2(g)==2NO(g) K=5×10-31
途徑二：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) K=4.1×108
資料二
在理論知識武裝下，1904年德國化學家哈伯向合成氨發起沖擊。期間，因為實驗比較困難，從氮和氫中生成的氨比較少，哈伯對這項研究逐漸沒有了希望，便打算放棄。
科學家在研究中遭遇失敗與當時物理化學理論不成熟、缺乏理論指導有很大的關系。當后來熱力學中關于活化能、化學平衡常數等理論建立起來的時候，人們重新計算這兩個反應的化學平衡常數，有了新發現。
任務二：合成氨條件的選擇
活動一
原理分析（結合勒夏特列原理分析如何提高氨的含量）
對合成氨反應的影響 影響因素 濃度 溫度 壓強 催化劑
提高平衡混合物中氨的含量 增大反應物濃度、減小生成物濃度 低溫 高壓 無影響
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H= -92.4KJ·mol-1
c(N2):c(H2)=1:3時氨氣產率最高
任務二：合成氨條件的選擇
活動二
數據分析（根據數據分析合成氨的條件）
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H= -92.4KJ·mol-1）
資料三
年輕的羅塞格爾是機械制造領域中骨灰級大師，在當時的條件下能制造出200個大氣壓（20MPa）的反應塔和空氣壓縮機。
壓強的選擇必須要考慮設備的抗壓能力。
任務二：合成氨條件的選擇
活動三
從速率角度考慮合成氨選擇的條件
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H= -92.2KJ·mol-1）
資料四
計算表明：溫度每升高10℃，速率加快2—4倍。（若在500℃下年產氨量30萬噸的工廠，將溫度降為200℃，年產量最多為300克。）
速率和限度是工業生產需要考慮的兩大核心因素，我們需要統籌兼顧，當二者發生矛盾時，優先調控反應速率。
對合成氨反應的影響 影響因素 濃度 溫度 壓強 催化劑
增大合成氨的反應速率 增大反應物 濃度 高溫 高壓 加入催化劑
任務二：合成氨條件的選擇
活動四
確定合成氨條件，投入生產
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H= -92.2KJ·mol-1）
資料五
哈伯通過理論計算后，表明讓氫和氮在600℃和20MPa大氣壓力下進行反應，大約可以生成8％的氨，提出了提高氨產率的三項措施：
（1）高壓條件；（2）不斷把產品氨從反應器中分離出去；（3）選擇高效催化劑加快反應速率。
為了尋找合適的催化劑，哈伯和助手們試驗了數百種金屬及其化合物，發現金屬鋨的活性最好。
1908年，哈伯在175—200個大氣壓力下和500—600℃時，利用金屬鋨作催化劑，氫和氮反應能產生6％左右的氨。
任務三：工業合成氨條件的控制
活動一
如何降低反應成本
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H= -92.2KJ·mol-1）
降低原料成本
提高原料轉化率
加快反應速率
錦囊妙計1：
采用水煤氣（主要成分為H2和CO）作為氫氣的來源
氮氣由液化空氣分離法提供
錦囊妙計2：
將氮氣和氫氣循環利用
將生成的氨氣及時分離出去
錦囊妙計3：
實驗表明，在特定條件下，合成氨反應的速率與參與反應的物質的濃度的關系式為ν =κc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)，精囊妙計2中的措施能否加快反應速率。
任務三：工業合成氨條件的控制
活動二
尋找高效穩定的催化劑
資料六
粉末狀的鋨是一種貴金屬，儲量較少，常溫下會逐漸氧化成四氧化鋨。鋨蒸氣有劇毒，強烈刺激人眼黏膜，嚴重時會造成失明。
試驗了2500種配方，進行了6500次實驗
鐵觸媒做催化劑
哈伯
奧斯特瓦爾德
博施
博施
用金屬鋨做催化劑
用鐵絲做催化劑
用鐵直接催化N2和H2不產生氨
條件 Ea /kJ/mol k(催)/k(無)
無催化劑 335 3.4×1012(700k)
使用鐵催化劑 167 鐵觸媒催化能力
200
400
600
800
鐵觸媒催化能力
200
400
600
800
任務三：工業合成氨條件的控制
活動三
開發適合高溫、高壓的合成設備
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H= -92.2KJ·mol-1）
資料七
高溫、高壓條件下，氫氣使鋼脫碳，導致“氫腐蝕”。“氫腐蝕”有兩種形式：
（1）氫氣與鋼表面的碳結合，引起表面脫碳，使機械性能惡化；
（2）氫氣滲透到鋼材內部，與碳化合生成甲烷，在剛才內部造成裂紋。
博施發明“雙層反應塔”
在當時的情況下，博施對反應塔內壁進行了改良
（1）采用含碳量極低的熟鐵作為反應塔的襯里，但高壓的情況還是不能避免H2從熟鐵襯里逸出
（2）在熟鐵襯里和鋼壁上開出許多小孔，讓氫氣逸出——雙層塔終于誕生
任務三：工業合成氨條件的控制
活動四
分析科技的發展對合成氨的影響
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H= -92.2KJ·mol-1）
合成氨反應并不是簡單和直觀的，埃爾特根據實驗繪制了如上反應過程能量圖。根據如上圖像，分析哪一步是決速步？如何加快決速步的反應速率。
合成氨反應是在催化劑表面進行的。根據埃特爾的研究，這一過程主要經歷了以下幾個步驟：
擴散
吸附
斷鍵解離
表面反應
脫附
工業生產通過提高N2的含量來提高N2的吸附速率，使反應速率增大，所以實際生產時N2、H2物質的量之比為
1 : 2.8。
歸納總結
外部條件 工業合成氨的適宜條件
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
適宜溫度
700K左右
使用鐵觸媒作催化劑
N2和H2的物質的量比為1：2.8的投料比, 氨及時從混合氣中分離出去
實際工業簡要流程
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循環利用
冷凝
總結
“合成氨”中的諾貝爾獎
迄今為止，Nobel獎曾3次頒發給合成氨相關領域的科學家。
1918
Fritz Haber
弗里茨·哈伯
1931
Carl Bosch
卡爾·博施
2007
Gerhard Ertl
格哈德·埃特爾
“合成氨”中的中國人：
2016年,中國科學院大連化學物理研究所的研究團隊研制了一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強分別降到了350℃、1MPa，這是近年來合成氨反應研究中的重要突破,為發展節能的催化劑提供了新的思路。
時代需要我們
氣候變化是當今人類面臨的重大全球性挑戰。我國為了積極應對氣候變化于2020年9月提出碳達峰、碳中和。作為一名化學人，我們又能怎么做呢？

展開更多......

收起↑