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(共25張PPT)
第2章 化學反應的方向、限度與速率
第1課時：工業合成氨
第4節 化學反應條件的優化——工業合成氨
化學反應原理
1．體會從限度的角度認識和調控化學反應的重要性。2．了解控制反應條件在生產和科學研究中的作用。
壹
3．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。
貳
本節重點
壹
從限度的角度認識和調控化學反應的重要性
了解控制反應條件在生產和科學研究中的作用
本節難點
貳
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。
聯想
·
質疑
集天使與魔鬼與一身的科學家
在化學發展史上，有一位化學家，雖然他早已長眠地下，但是他卻給世人留下關于他功過是非的激烈爭論。他就是20世紀初聞名世界的德國物理化學家、合成氨的發明者弗里茨·哈伯。贊揚哈伯的人說：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，給人類帶來災難、痛苦和死亡。
科學
·
視野
弗里茨·哈伯
弗里茨·哈伯（Fritz Haber，1868年12月9日～1934年1月29日），德國化學家，出生在德國西里西亞布雷斯勞（現為波蘭的弗羅茨瓦夫）的一個猶太人家庭。 1909年，成為第一個從空氣中制造出氨的科學家，使人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動局面，加速了世界農業的發展，因此獲得1918年瑞典科學院諾貝爾化學獎。一戰中，哈伯擔任化學兵工廠廠長時負責研制、生產氯氣、芥子氣等毒氣，并使用于戰爭之中，造成近百萬人傷亡，遭到了美、英、法、中等國科學家們的譴責。
弗里茨·哈伯合成氨實驗裝置
科學
·
視野
集天使與魔鬼與一身的科學家
自1784 年氨被發現以來，人們一直在研究如何利用化學方法由氮氣和氫氣合成氨，但直到1913 年才實現了合成氨的工業化生產。經過研究人員的不斷努力，幾十年后終于建造了日產氨1 000 噸的大型裝置。
化學反應N2（g）+3H2（g） 2NH3（g）看起來十分簡單，為什么合成氨的工業化生產會經歷如此漫長的發展過程？合成氨廠為什么需要那么龐大而復雜的生產設備和特殊的生產條件呢？
聯想
·
質疑
合成氨技術的發明使工業化人工固氮成為現實。要實現合成氨的工業化生產，必須從反應的限度和反應速率兩個方面選擇合成氨的反應條件。
1、影響化學反應速率的因素有哪些？
2、影響化學反應限度的因素有哪些？
溫度、濃度、壓強、催化劑等
溫度、濃度、壓強等
溫故
·
知新
一、合成氨反應的限度
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
聯想
·
質疑
1、已知298 K時：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。根據反應的焓變和熵變分析在298K時合成氨反應能否正向自發進行？
常溫(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自發進行。
2、利用化學平衡移動的知識分析什么條件下有利于氨的合成。
降低溫度、增大壓強
進一步研究發現，在一定的溫度、壓強下，反應物氮氣、氫氣的體積比為1∶3時平衡混合物中氨的含量最高。
一、合成氨反應的限度
聯想
·
質疑
在不同溫度、壓強下，合成氨反應達到平衡時，平衡混合物中氨含量的測定結果。
下表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)。
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 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.1 13.8 23.1 31.4
壓強越大，NH3%越大。
溫度越低，NH3%越大。
實驗數據表明應采取的措施與理論一致。
一、合成氨反應的限度
聯想
·
質疑
二、合成氨反應的速率
交流
·
研討
1、可以通過控制哪些反應條件來提高合成氨反應的速率？
2、實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應的速率與參與反應的物質濃度的關系式為：υ = kc (N2)·c1.5(H2) ·c-1(NH3)
根據該關系式分析：式中各物質的濃度對反應速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應速率？
升高反應溫度
增大反應體系壓強
使用高效催化劑
在反應過程中，隨著氨的濃度增大，反應速率會逐漸降低，因此為了保持足夠高的反應速率，應在反應達到一定轉化率時將氨從混合氣中分離出去。
二、合成氨反應的速率
交流
·
研討
3、根據表2-4-1 所給數據分析催化劑對合成氨反應的速率的影響。
條 件 Ea /(kJ·mol-1) k( 催)/k ( 無)
無催化劑 335 3.4×1012(700 K)
使用鐵催化劑 167
使用催化劑可以使合成氨反應的速率提高上萬億倍。因此，要實現合成氨的工業化生產，使用適宜的催化劑是最有效的途徑。
合成氨的催化歷程
工業上，氮氣與氫氣合成氨的反應是在催化劑表面上進行的。這是一個復雜的過程，一般要經歷反應物擴散至催化劑表面、吸附在催化劑表面、發生表面反應、產物從催化劑表面脫附、產物擴散離開反應區等五個步驟。
根據對合成氨反應的速率及催化反應歷程的研究，得出以下結論：
1、第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制總反應速率的關鍵步驟。為保證氮氣占有一定份額的催化劑活性中心并提高吸附速率，應適當提高氮氣的比例，即不是達到最大平衡轉化率要求的n(N2)∶n(H2) = 1∶3，而是n(N2)∶n(H2) = 1∶2.8。
2、為了提高氨的脫附速率，以空出活性中心供繼續合成氨使用，必須降低反應后混合氣體中氨的比例，適時地將氨從反應后的混合氣體中分離出來。
三、合成氨生產的適宜條件
交流
·
研討
1、根據合成氨反應的特點，應分別采取什么措施提高該反應的平衡轉化率和反應速率？將有關建議填入下表中。
降低溫度
增大壓強
催化劑
及時分離出氨氣
適當升高溫度
增大反應物濃度
及時分離出氨氣
2、嘗試為合成氨生產選擇適宜的條件。
3、在確定合成氨生產的適宜條件的過程中，你遇到了哪些問題，又是怎樣解決的？
4、為了提高合成氨生產的能力，還可以在哪些方面做進一步改進？
三、合成氨生產的適宜條件
交流
·
研討
鐵觸媒
合成氨生產一般選擇鐵做催化劑；反應溫度控制在700 K 左右；根據反應器可使用鋼材的質量及綜合指標來選擇壓強，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；通常采用氮氣與氫氣物質的量之比為1∶2.8 的投料比。
知識
·
拓展
明確
目的
可行性
確定
反應
原理分析
實驗摸索
找條件
設備可行
成本核算
如何為一個化學反應選擇適宜的生產條件？
影響因素
調控反應
化學平衡
反應速率
最佳效果
化學反應的調控
(1)溫度越高越利于合成氨反應平衡正向移動。 (　　)
(2)合成氨反應中,壓強越大越利于增大反應速率和平衡正向移動。 (　　)
(3)使用催化劑能提高合成氨反應物的平衡轉化率。 (　　)
(4)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 ( )
(5)恒容條件下充入稀有氣體有利于NH3的合成。 ( )
(6)工業合成氨的反應是熵增加的放熱反應，在任何溫度下都可自發進行。( )
練習1、判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
×
×
√
×
×
×
練習3、有關合成氨工業的說法中,正確的是(　　)
A、增大H2的濃度,可提高H2的轉化率
B、由于氨易液化,N2、H2在實際生產中會循環使用,所以總體來說氨的產率很高
C、合成氨工業的反應溫度控制在400~500 ℃,目的是使化學平衡向正反應方向移動
D、合成氨廠采用的壓強是10 MPa~30 MPa,因為該壓強下鐵觸媒的活性最大
B
練習4、有平衡體系:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0。為了增加甲醇(CH3OH)的產量,應采取的正確措施是(　　)
A、高溫，高壓 B、適宜溫度，高壓，催化劑
C、低溫，低壓 D、高溫，高壓，催化劑
B
練習5、工業上合成氨一般采用400~500 ℃的溫度，其原因是 (　　)
①適當提高氨的合成速率　②提高H2的轉化率　③提高氨的產率　④催化劑在500 ℃左右活性最大
A、只有①　 B、只有①② C、②③④ D、只有①④
D
練習6、在一定條件下，可逆反應N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)(正反應是放熱反應)達到平衡,當單獨改變下列條件后,有關敘述錯誤的是(　　)
A、加催化劑,v(正)、v(逆)都發生變化且變化的倍數相等
B、加壓,v(正)、v(逆)都增大，且v(正)增大的倍數大于v(逆)增大的倍數
C、降溫,v(正)、v(逆)都減小，且v(正)減小的倍數小于v(逆)減小的倍數
D、等容條件下加入氬氣，v(正)、v(逆)都增大，且v(正)增大的倍數大于v(逆)增大的倍數
D　
練習7、某工業生產中發生反應:2A(g)+B(g) 2M(g)　ΔH<0。下列有關該工業生產的說法正確的是(　　)
A、工業上合成M時，一定采用高壓條件,因為高壓有利于M的生成
B、若物質B價廉易得，工業上一般采用加入過量的B以提高A和B的轉化率
C、工業上一般采用較高溫度合成M，因溫度越高,反應物的轉化率越高
D、工業生產中常采用催化劑，因為生產中使用催化劑可提高M的日產量
D　
　　　　　　 1×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa
450 ℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7%
550 ℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3%
壓強　　　
溫度
轉化率
練習8、 在硫酸工業中,通過下列反應使SO2氧化成SO3:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH=-198 kJ·mol-1。(已知催化劑是V2O5,在400~500 ℃時催化效果最好)下表為不同溫度和壓強下SO2的轉化率(%):
1、根據化學理論分析,為了使二氧化硫盡可能轉化為三氧化硫，應選擇的條件是什么
2、在實際生產中,選定400~500 ℃作為操作溫度,其原因是什么
提示:低溫、高壓。
提示:兼顧速率和平衡,且在此溫度下催化劑的活性最高。
　　　　　　 1×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa
450 ℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7%
550 ℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3%
壓強　　　
溫度
轉化率
3、根據上表中的數據分析,制取SO3時為什么不采用高壓
4、在生產中,通入過量空氣的目的是什么
5、尾氣中的SO2必須回收的目的是什么
提示:在常壓下SO2的轉化率就已經很高了(97.5%),若采用高壓,平衡能向右移動,但效果并不明顯,且采用高壓時會增大設備的成本,得不償失。
提示:增大反應物O2的濃度,提高SO2的轉化率。
提示:防止污染環境;循環利用,提高原料的利用率。

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