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(共61張PPT)
化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化—工業(yè)合成氨
第一課時(shí)
合成氨反應(yīng)的限度和速率
在化學(xué)發(fā)展史上，有一位化學(xué)家，雖然他早已長眠地下，但是他卻給世人留下關(guān)于他功過是非的激烈爭(zhēng)論。他就是20世紀(jì)初聞名世界的德國物理化學(xué)家、合成氨的發(fā)明者弗里茨·哈伯。
集天使與魔鬼與一身的科學(xué)家
弗里茨·哈伯
贊揚(yáng)哈伯的人說：他是天使，為人類帶來豐收和喜悅，是用空氣制造面包的圣人。
詛咒他的人則說：他是魔鬼，給人類帶來災(zāi)難、痛苦和死亡。
弗里茨·哈伯（1868年12月9日～1934年1月29日），德國化學(xué)家，出生在德國西里西亞布雷斯勞（現(xiàn)為波蘭的弗羅茨瓦夫）的一個(gè)猶太人家庭。
點(diǎn)擊視頻了解弗里茨·哈伯的生平
自1784年發(fā)現(xiàn)氨以后，人們一直在研究如何利用化學(xué)方法由氮?dú)夂蜌錃夂铣砂保钡?913年才實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過研究人員的努力，幾十年后建造了日產(chǎn)氨1000噸的大型裝置。
化學(xué)反應(yīng)N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) 看起來十分簡單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會(huì)經(jīng)歷如此漫長的發(fā)展過程
合成氨工廠為什么需要那么龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件
合成氨技術(shù)的發(fā)明使工業(yè)化人工固氮成為現(xiàn)實(shí)。要實(shí)現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，須從哪些方面選擇合成氨的反應(yīng)條件。
反應(yīng)限度 反應(yīng)速率
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
1.影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有哪些？
溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等
2.影響化學(xué)反應(yīng)限度的因素有哪些？
溫度、濃度、壓強(qiáng)等
知識(shí)回顧
一、合成氨反應(yīng)的限度
根據(jù)計(jì)算可知，合成氦反應(yīng)是在 298K時(shí)能正向自發(fā)進(jìn)行的放熱反應(yīng)，同時(shí)也是氣體的物質(zhì)的量減小的熵減反應(yīng)。因此，降低溫度、增大壓強(qiáng)將有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)。如圖 2-4-2所示，在不同溫度、壓強(qiáng)下，合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，平衡混合物中氦含量的測(cè)定結(jié)果與上述理論分析結(jié)果一致。
有利于提高合成氨反應(yīng)限度的方法
降低溫度
增大壓強(qiáng)
V(N2):V(H2)=1:3
由化學(xué)平衡移動(dòng)的原理可知，高壓和低溫的條件有利于提高合成氨反應(yīng)的限度。
哪些措施可以提高合成氨反應(yīng)的速率呢？
二、合成氨反應(yīng)的速率
由化學(xué)平衡移動(dòng)的原理可知，合成氨反應(yīng)要在高壓和低溫的條件下進(jìn)行才能得到較高的平衡轉(zhuǎn)化率。但是，高壓條件對(duì)設(shè)備提出了苛刻的要求，而反應(yīng)溫度的降低勢(shì)必延長達(dá)到化學(xué)平衡的時(shí)間，致使生產(chǎn)效率降低，失去工業(yè)化生產(chǎn)的意義。因此，在尋找最佳的生產(chǎn)條件時(shí)，除了要考慮影響化學(xué)平衡的有關(guān)因素外，還要研究應(yīng)采取哪些措施來提高反應(yīng)的速率。
1.可以通過控制哪些反應(yīng)條件來提高合成氨反應(yīng)的逸率
升高反應(yīng)溫度
增大反應(yīng)體系壓強(qiáng)
使用高效催化劑
催化劑對(duì)氨的合成反應(yīng)速率的影響
結(jié)論：使用催化劑可以使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。因此，要實(shí)現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，使用適宜的催化劑是最有效的途徑。
根據(jù)對(duì)氨的合成反應(yīng)的速率及催化反應(yīng)歷程的研究，得出以下結(jié)論∶
1.第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制總反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟。為保證氮?dú)庹加幸欢ǚ蓊~的催化劑活性中心并提高吸附速率，應(yīng)適當(dāng)提高氮的分壓p(N2)，即不是達(dá)到最大平衡轉(zhuǎn)化率要求的n(N2):n(H2)=1:3，而是n(N2):n(H2)=1:2.8。
2.為提高氨的脫附速率，以空出活性中心供繼續(xù)合成氨使用，必須降低混合氣中氨的比例，適時(shí)地將氨從反應(yīng)后的混合氣體中分離出來。
1．判斷對(duì)錯(cuò)(對(duì)的在括號(hào)內(nèi)打“√”，錯(cuò)的在括號(hào)內(nèi)打“×”。)
(1)合成氨反應(yīng)在高溫下能自發(fā)進(jìn)行。 (　　)
(2)溫度越高越利于合成氨反應(yīng)平衡正向移動(dòng)。(　　)
(3)合成氨反應(yīng)中，壓強(qiáng)越大越利于反應(yīng)速率加快和平衡正向移動(dòng)。( 　　)
(4)使用催化劑能提高合成氨反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率。(　　)
√
×
×
×
2．某工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生反應(yīng)：2A(g)＋B(g) 2M(g) ΔH<0。下列有關(guān)該工業(yè)生產(chǎn)的說法正確的是(　　)
A．工業(yè)上合成M時(shí)，一定采用高壓條件，因?yàn)楦邏河欣贛的生成
B．若物質(zhì)B價(jià)廉易得，工業(yè)上一般采用加入過量的B以提高A和B的轉(zhuǎn)化率
C．工業(yè)上一般采用較高溫度合成M，因溫度越高，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高
D．工業(yè)生產(chǎn)中常采用催化劑，因?yàn)樯a(chǎn)中使用催化劑可提高M(jìn)的日產(chǎn)量
D
3．硫酸是一種重要的化工產(chǎn)品，目前主要采用“接觸法”進(jìn)行生產(chǎn)。有關(guān)接觸氧化反應(yīng)2SO2＋O2 2SO3的說法中正確的是(　　)
A．只要選擇適宜的條件，SO2和O2就能全部轉(zhuǎn)化為SO3
B．該反應(yīng)達(dá)到平衡后，反應(yīng)就完全停止了，即正、逆反應(yīng)速率均為零
C．在達(dá)到平衡的體系中，充入由18O組成的O2后，SO2中18O含量減少，SO3中18O含量增多
D．在工業(yè)合成SO3時(shí)，要同時(shí)考慮反應(yīng)速率和反應(yīng)能達(dá)到的限度兩方面的問題
D
解析：反應(yīng)為可逆反應(yīng)，SO2和O2不能全部轉(zhuǎn)化為SO3，A錯(cuò)；達(dá)到平衡后反應(yīng)不停止，正、逆反應(yīng)速率相等，B錯(cuò)；達(dá)到平衡后充入由18O組成的O2，平衡向正方向移動(dòng)，SO3中18O含量增多，因?yàn)榉磻?yīng)可逆，SO2中18O含量也增多，C錯(cuò)；D正確。
合成氨條件的選擇
提高反應(yīng)限度
提高反應(yīng)速率
高壓
低溫
V(N2):V(H2)=1:3
高壓
高溫
催化劑
V(N2):V(H2)=1:2.8
課堂小結(jié)
第二課時(shí)
合成氨生產(chǎn)的適宜條件
1.如何提高合成氨反應(yīng)的限度
降低溫度、增大壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)，N2、H2體積比為1:3時(shí)平衡混合物中氨的含量最高。
2.如何提高合成氨反應(yīng)的速率
升高溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)物濃度
使用催化劑、將氨氣及時(shí)從混合氣分離出來
知識(shí)回顧
請(qǐng)與同學(xué)們交流研討∶
1.根據(jù)氨的合成反應(yīng)的特點(diǎn)，應(yīng)分別采取什么措施提高該反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率
將有關(guān)建議填入表格中。
提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率 提高反應(yīng)的速率
反應(yīng)特點(diǎn) 措施 反應(yīng)特點(diǎn) 措施
放熱 活化能高
正反應(yīng)分子數(shù)減少 低溫時(shí)反應(yīng)速率低
反應(yīng)可逆 原料氣濃度增大能提高反應(yīng)速率
氨氣濃度增大能降低反應(yīng)速率
分離出氨氣
低溫
使用合適催化劑
高壓
高溫
原料循環(huán)利用
增大原料氣濃度
2.嘗試為合成氨生產(chǎn)選擇適宜條件。
高壓
高溫
使用
增大濃度
減小濃度
高壓
低溫
無影響
增大濃度
減小濃度
3.在確定合成氨生產(chǎn)的適宜條件的過程中，遇到了哪些問題 是怎樣解決的
問題1：壓強(qiáng)怎么選？
既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好？
問題2：溫度怎么選？
既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？
問題3：要不要用催化劑？
催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒有影響， 在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑，為什么？
問題4：濃度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量之比為1：3時(shí)平衡轉(zhuǎn)化率最高。提高氫氣的壓強(qiáng)似乎更有利于提高合成氨反應(yīng)的速率，但是，氮?dú)庠诖呋瘎┥系奈綖榭偡磻?yīng)中最難發(fā)生的步驟，即這是影響反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟。
（1）壓強(qiáng)怎么選？
分析：①合成氨反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動(dòng)，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。
②但是壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動(dòng)力大，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。
結(jié)論：根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)。實(shí)際生產(chǎn)中壓強(qiáng)一般選擇在200～500大氣壓之間。
（2）溫度怎么選？
分析：
①因?yàn)檎磻?yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫度有利于平衡正向移動(dòng)。
②可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)到平衡所需要的時(shí)間越長，因此溫度也不宜太低。
③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。
結(jié)論：實(shí)際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）。
（3）用不用催化劑？
分析：經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快，原料的利用率要高，單位時(shí)間的產(chǎn)量要高。
結(jié)論：實(shí)際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在700K時(shí)活性最高。
（4）濃度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
分析：增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動(dòng)。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1：3時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。
結(jié)論：實(shí)際生產(chǎn)中及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；及時(shí)將氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)利用，使其保持一定的濃度。即N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8。
4.為了提高合成氨生產(chǎn)的能力，還可以在哪些方面做進(jìn)一步改進(jìn)
原料的價(jià)格
未轉(zhuǎn)化的合成氣（氮?dú)夂蜌錃猓┑难h(huán)使用
反應(yīng)熱的綜合利用
實(shí)際生產(chǎn)中合成氨的適宜條件
歸納總結(jié)
外部條件 工業(yè)合成氨的適宜條件
壓強(qiáng) 根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)，大致分為低壓(1×107 Pa)、中壓(2×107～3×107 Pa)和高壓(8.5×107～1×108 Pa)三種類型
溫度 適宜溫度(700 K左右)
催化劑 使用鐵觸媒作催化劑
濃度 N2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶2.8的投料比，氨及時(shí)從混合氣中分離出去
條件 原則
從化學(xué)反應(yīng)速率分析 既不能過快，又不能太慢
從化學(xué)反應(yīng)限度分析 既要注意外界條件對(duì)速率和平衡影響的一致性，又要注意二者影響的矛盾性
從原料的利用率分析 增加易得廉價(jià)原料，提高難得高價(jià)原料的利用率，從而降低生產(chǎn)成本
從實(shí)際生產(chǎn)能力分析 如設(shè)備承受高溫、高壓能力等
從催化劑的使用活性分析 注意溫度對(duì)催化劑的活性的限制
合成氛的生產(chǎn)流程
制氣→凈化除雜→壓縮→合成→冷卻分離→循環(huán)壓縮
氨主要用于制造氮肥和復(fù)合肥料，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以氨為原料的。氨作為工業(yè)原料和氨化飼料，用量約占世界產(chǎn)量的一半。
合成氨的價(jià)值
合成氨工廠
解放前中國的合成氨工業(yè)僅靠兩家規(guī)模不大的工廠支撐，并且年產(chǎn)量僅為0.6萬噸。而這一數(shù)字在1982年達(dá)到了1021.9萬噸，也成為了世界上產(chǎn)量最高的國家之一。而同年糧食總產(chǎn)量達(dá)到了35450萬噸，人均產(chǎn)量高達(dá)348.7公斤，使得10億人口基本達(dá)到了吃飽肚子的基本需求。
合成氨工業(yè)生產(chǎn)需要高溫、高壓的反應(yīng)條件，在中壓工藝條件下，合成氨廠出口氣中的氨含量一般為13% ～14%。而且催化劑易中毒、使用壽命不長。
神奇的生物固氮
據(jù)估計(jì)，在自然界里，由于生物固氮酶催化劑（如根瘤菌）的作用，在常溫、常壓下每年可以從空氣中固定1億噸氮，因此仿生固氮酶催化劑的研制這一前沿課題一直為人們所關(guān)注，但至今進(jìn)展甚微。
合成氨反應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)中的大量運(yùn)用，滿足了人口的急劇增長對(duì)糧食的需求，也為有機(jī)合成提供了足夠的原料——氨。合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)：
N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)。在298 K時(shí)，ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，K＝4.1×106。
(1)從平衡常數(shù)來看，反應(yīng)的限度已經(jīng)很大，為什么還需要使用催化劑？
____________________________________________________________________________________。
(2)試分析實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中采取700 K左右的溫度的原因
使用催化劑主要是為了在不影響限度的情況下加快反應(yīng)速率，提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量
在該溫度下，催化劑的活性最高，速率較大，反應(yīng)的限度雖然有所降低，但綜合分析，單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量還是最理想的
(3)298 K,1.01×105 Pa，在10 L密閉容器中充入10 mol氮?dú)狻?0 mol氫氣和20 mol氨氣，開始的瞬間，反應(yīng)向__________(填“正”或“逆”)方向進(jìn)行，反應(yīng)進(jìn)行5 min后體系能量的變化為__________(填“吸收”或“放出”)184.4 kJ，容器內(nèi)壓強(qiáng)變?yōu)樵瓉淼腳_________倍。
(4)從開始至5 min時(shí)，用N2濃度變化表示該反應(yīng)的平均速率為_____________________。
正
放出
14/15
0.04mol·L－1·min－1
合成氨生產(chǎn)的適宜條件
課堂小結(jié)

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