資源簡介

(共21張PPT)
第二章 化學反應速率與化學平衡
第四節 化學反應的調控
學習目標
1.知道如何應用化學反應速率和化學平衡原理，掌握合成氨工業中溫度、壓強、濃度、催化劑選擇的原因。(變化觀念與平衡思想)
2.結合工業生產實際，了解化工條件的選擇。(證據推理與模型認知)
3.通過工業合成氨適宜條件的選擇與優化，認識化學反應速率和化學平衡的綜合調控在生產、生活和科學研究中的重要作用(科學態度與社會責任)
我們對化學反應的調控并不陌生，例如，為了滅火，可以采取隔離可燃物、隔絕空氣或降低溫度等措施；為了延長食物儲存時間，可以將它們保存在冰箱中。
新課導入
新課講授
合成氨的反應歷程
N2 ＋3H2 2NH3
課內探究
1.合成氨條件的選擇
（1）合成氨反應的特點
①可逆性：反應為可逆反應。
②體積變化：正反應是氣體體積縮小的反應。
③焓變：ΔH<0，熵變：ΔS<0。
④自發性：常溫(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自發進行。
合成氨反應：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，
ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
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
提高平衡混合物中氨的含量
增大
升高
增大
加快
增大
降低
增大
無影響
思考與討論
（2）原理分析
思考與討論
（3）數據分析
表中的實驗數據是在不同溫度、壓強下，平衡混合物中氨的含量的變化情況(初始時氮氣和氫氣的體積比是1:3)。 分析表中數據，結合合成氨反應的特點，討論應如何選擇反應條件，以增大合成氨的反應速率、提高平衡混合物中氨的含量。
思考與討論
溫度/℃ 氨的含量/100% 0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52 64.2 71 84.2 92.6
400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4
不同條件下，合成氨反應達到化學平衡時反應混合物中氨的含量(體積分數)
綜合上述兩個方面，分析增大合成氨的反應速率與提高平衡混合物中氨的含量所應采取的措施是否一致。
思考與討論
請思考在實際生產中到底選擇哪些適宜的條件呢？
影響因素 化學反應速率 平衡混合物中氨的含量
溫度
壓強
催化劑
升高
降低
增大
減小
減小
增大
增大
加快
增大
減小
減小
減小
使用
增大
不變
減小
不使用
不變
（1）壓強：合成氨廠一般采用的壓強為10 MPa~30 Mpa。
1.合成氨時壓強越大越好，為何不采用比30 MPa更大的壓強
提示：壓強越大，對材料的強度和設備的制造要求也越高，需要的動力也越大，這會加大生產投資，可能降低綜合經濟效益。
壓強的選擇——成本與效益的博弈
課內探究
2. 工業合成氨的適宜條件
氨的體積分數/%
0
壓強/MPa
20 40 60 80 100
80
60
40
20
400℃時平衡體系內氨的體積分數
（2）溫度：
一般采用的溫度為400~500 ℃
2.合成氨采用低溫時可提高轉化率，但為何未采用更低的溫度
溫度的選擇—快與少、慢與多的權衡
提示：溫度太低，反應速率太小，達到平衡所需的時間變長，不經濟。升高溫度，轉化率降低，另外，合成氨所需的催化劑鐵觸媒的活性在500 ℃左右活性最大。
課內探究
氨的體積分數/%
0
溫度/℃
200 300 400 500 600
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
10MPa下平衡體系內氨的體積分數
課內探究
（3）催化劑：
目前，合成氨工業中普遍使用的是以鐵為主體的多成分催化劑，又稱鐵觸媒。鐵觸媒在500℃左右時的活性最大，這也是合成氨一般選擇400~500℃進行的重要原因。另外，為了防止混有的雜質使催化劑“中毒”，原料氣必須經過凈化。
課內探究
（4）濃度：
采取迅速冷卻的方法，使氣態氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出去，以促使化學平衡向生成NH3的方向移動。此外，如果讓N2和H2的混合氣體只一次通過合成塔發生反應也是很不經濟的，應將NH3分離后的原料氣循環使用，并及時補充N2和H2，使反應物保持一定的濃度，以利于合成氨反應。
3.合成氨工業采用迅速冷卻法，使氣態氨變為液氨后及時從混合物中分離出去的目的是什么
提示：使化學平衡向生成氨的方向移動。
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(10～30 MPa)
適宜溫度，400～500 ℃
使用鐵觸媒做催化劑
N2和H2的物質的量之比為1∶2.8的投料比，氨及時從混合氣中分離出去
課內探究
3.合成氨的生產流程
（1）生產流程
干燥
凈化
壓縮機
加壓
10 MPa~30 MPa
熱交換
冷卻
WWWWWWW
N2+H2
N2+H2
N2+H2
N2+H2
N2+H2
NH3+N2+H2
NH3+N2+H2
液態NH3
鐵觸媒
400~500℃
（2）流程分析
①原料氣干燥、凈化：除去原料氣中的水蒸氣及其他氣體雜質，防止與催化劑接觸時，導致催化劑“中毒”而降低或喪失催化活性。
②壓縮機加壓：增大壓強。
③熱交換：合成氨反應為放熱反應，反應體系溫度逐漸升高，為原料氣反應提供熱量，故熱交換可充分利用能源，提高經濟效益。
課內探究
④冷卻：生成物NH3的液化需較低溫度采取迅速冷卻的方法，可使氣態氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出來，以促使平衡向生成NH3的方向移動。
⑤循環使用原料氣：因合成氨反應為可逆反應，平衡混合物中含有原料氣，將NH3分離后的原料氣循環利用，并及時補充N2和H2，使反應物保持一定的濃度，以利于合成氨反應，提高經濟效益。
課內探究
拓展視野
合成氨的發展
我國合成氨工業的發展是在20 世紀30 年代開始的，經過幾十年的不懈奮斗和發展，我國已經擁有了許多不同流程、不同規模的合成氨工廠。我國目前擁有了一支能夠進行合成氨生產的科研等方面的研究技術團隊，讓我國已成為世界上最大的合成氨生產國，產量約占世界總產量的1/3。
合成氨的應用
合成氨工業是關系我國國民經濟的重要行業，是我國化肥工業的基礎，也是傳統煤化工的重要組成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡膠等；氨在冶金、機械加工、電子、造紙等行業用途廣泛。
制尿素
制純堿
制硝酸
制冷劑
拓展視野
課堂小結
合成氨反應的反應特點
合成氨的生產流程：結合工業
實際，理解氨的合成條件
合成氨的適宜條件
化學反應
的調控
原理分析
數據分析
壓強
溫度
濃度
多角度分析合成氨的條件
謝 謝

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