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化學反應的調控
人教版化學選擇性必修1第二章 第四節
合成氨的提出
氮短缺事關人類的存亡，某一天將會有一位化學家尋找出 一種方法，將成對的氮原子間三鍵打破，制出一種能為植 物吸收的氮的化合物。
——威廉 · 克魯克斯
先合成氨，再進一步將之轉化為銨鹽或者硝酸鹽，變成了 土壤可吸收的形式。最好的原料是空氣，因為它其中富含 氮元素。
卡爾博施
合成氨很難!
合成氨存在的問題
化學反應速率
調控外界條件：
溫度、濃度、壓強、催化劑
化學反應的調控
化學平衡
N (g)+3H (g)—2NH (g)△H=-92.4 kJ·mol-1
1903年：哈伯發現在常溫的條件下，氮、氫難以生成氨，在
高溫的條件下，氨太易于分解。在1000攝氏度時，合成氨只
占到混合氣體的0.01,根本沒有意義。
升高溫度對反應有什么影響
哈伯法合成氨
溫度
N (g)+3H (g) —2NH (g)△H=—92.4 kJ·mol-1
反 應 速 率 速率加快 升高溫度
需 化學平衡 平衡逆向移動
合成氨反應的平衡常數隨溫度的變化
溫度 25℃ 350℃ 400℃ 450℃ 600℃
700℃
平衡常數 5×10 1.847 0.507 0.152 0.009
2.6×10-3
溫度的選擇：快與少、慢與多的權衡
溫度不宜過高也不宜過低
溫度
結論
實際預測：
1908年：
哈伯成功地設計出一套精密的高壓裝置。羅塞格爾和他實驗室的機 械師們一起創造了新的閥門，將哈伯的設計變成了現實。
增大壓強對反應有什么影響
出 水 口
干燥室
壓 縮N 和 H 進 口
反應器
進水口
哈伯法合成氨
冷卻室
未反應氣 體通過循 環泵返回
液 態NH 出 口
壓強
N (g)+3H (g) —2NH (g)△H=—92.4 kJ·mol-1
理論分析： 實際預測：
化學反應速率
速率加快
化學平衡
平衡正向移動
增大 壓強
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
壓強不宜過高也不宜過低
壓強
結論
催化劑
N (g)+3H (g)= 2NH (g) △H=—92.4
kJ·mol-1
合成氨仍然存在的問題
化學反應速率
顯著改變反應速率
化學平衡
平衡不移動
加入催化劑
催化劑
鐵 效果不夠理想
鋨 效果好，但儲量極少
鈾 鈾價格昂貴，性質過于敏感
含鉛鎂的鐵 效果好，原料易得，性質穩定
催化劑
N (g)+3H (g)—2NH (g)△H=—92.4 kJ·mol-1
2007年 Ertl1 證實了N 與 H 在催化劑表面合成氨的反應歷程如圖所示。
擴散→吸附→表面反應→脫附→擴散。
合成氨的研究歷程
“合成氨”里的中國人：2016年中科院大連化學物理研究所研究 團隊研制合成了一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強分別降 到了350℃、1 MPa。
更加節能、降低成本
合成氨的研究歷程
溫度不宜過高也不宜過低
壓強不宜過高也不宜過低
加入含鉛鎂的鐵做催化劑
反應 500℃左右
速率
轉化率 →降低溫度
溫度
催化劑
溫度
義已知：合成氨的催化劑在500℃左右時活性最大
數據分析
數據分析
溫度/℃ 氨的含量/%
0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa
100MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4
98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2
92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2
79.8
500 0.10 10.6 義19.1 26.4 42.2
57.5
600 0.05 4.50 9.10 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)
數據分析
濃度
N (g)+3H (g)—2NH (g)△H=—92.4 kJ·mol-1
增大反應物濃度
降低生成物濃度
化學平衡
平衡正向移動
及時補充N2 和H
將氨氣及時從氣態混合物中分離出去
增大反應物 濃度
降低生成物 的濃度
原料氣循
環利用
還有什么辦法可以提高氨的產率
原料氣循環通過合成塔
濃度
濃度
· 鐵觸媒催化劑
·400～500℃
· 10MPa～30MPa
· 原料氣循環利用 及時分離出氨氣
義
液態NH NH +N +H
N +H
鐵觸媒 400~500℃
合成氨常用的生產條件
壓縮機
加壓
10~30 MPa
熱交換 N +H NwWWwWw
干燥 N +H 凈化
冷卻
N +H
N +H
解決實際問題-
在硫酸工業中，通過下列反應使SO 氧化為SO :
2SO (g)+O (g)=2SO (g)△H=-92.4kJ mol-1。下表列出了在不同溫度和壓強下，
反應達到平衡時SO 的轉化率。
溫度/℃ 平衡時SO 的轉化率/%
0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa
10MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6
99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7
98.3
(1)從理論分析，為了使二氧化硫盡可能多地轉化為三氧化硫，應選擇的條件是_____。
(2)在實際生產中，選定的溫度為400~500℃, 原因是_
,(3)在實際生產中，采用的壓強為常壓，原因是_
4) 在實際生產中，通入過量的空氣，原因是
解決實際問題-
(5)工業上采用接觸法制備硫酸，V O 做催化劑，有人提出如下反應歷程：
反應I:2SO +V O =SO +V O ( 較慢)
反應Ⅱ:2SO +V O =SO +V O ( 較 快 )
由此推知，活化能較大的是反應 (填“I”或“II”)。
(6)尾氣中的SO 必須回收，原因是
化學平衡
反應速率
設備可行
成本核算
“綠色化學” 可持續發展
原理分析
實踐層面
思想理念
化工生產中調控反應的一般思路 ·
化學反應
1.1913年德國化學家哈伯發明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大
滿足了當時日益增長的人口對糧食的需求。下列所示是哈伯法的流程圖，
其中為提高原料轉化率而采取的措施是
A.①②③ B. ②④⑤
—2NH (g)△H=—92.4 kJ·mol-1
D.②③
義
②加壓 N 、H (2×107
Pa)
③催化
反應
(500℃、 催化劑)
,N (g)+3H (g)
隨堂練習
C.①③⑤
①凈化
干燥
④液化
分離
⑤N 和H 再循環
N
H
NH
2.據報道，在300 ℃、70 MPa 下由二氧化碳和氫氣合成乙醇已成為現實：
2CO (g)+6H (g)=CH CH OH(g)+3H O(g), 下列敘述錯誤的是
A.使用Cu-Zn-Fe催化劑可大大提高生產效率
-B.反應需在300℃下進行可推測該反應是吸熱反應
C.充入大量CO 氣體可提高H 的轉化率
D.從平衡混合氣體中分離出CH CH OH和H O可提高CO 和H 的利用率
隨堂練習
隨堂練習
3.某溫度下，對于反應：N (g)+3H (g)÷2NH (g)△H=-92.4 kJ ·mol-1 N 的平衡轉化率(a)與體系總壓強(p)的關系如圖所示。下列說法正確的是 A.將1 mol 氮氣、3 mol氫氣置于1 L 密閉容器中發生反應，放出的熱量為
92.4 kJ
v. 平衡狀態由A 變為B 時，平衡常數K(A)C.上述反應在達到平衡后，增大壓強，H 的
轉化率增大
D.升高溫度，平衡常數K增大
30%
20%
3 IPa
α(N ) 個
B

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