高中化学 第2章 化学反应的方向、限度与速率 2.4 化学反应条件的优化—工业合成氨课件 鲁科版选修4

普通高中课程标准实验教科书普通高中课程标准实验教科书 化学反应原理（选修四）化学反应原理（选修四）第二章第二章 化学反应的方向、限度与速率化学反应的方向、限度与速率第四节第四节 化学反应条件的优化化学反应条件的优化-工业合成氨工业合成氨 自从自从1809年年在南美州的在南美州的智利智利发现了发现了硝酸钠硝酸钠矿床矿床之后，之后，智利智利硝石硝石很快就成为当时世界上无机矿物含很快就成为当时世界上无机矿物含氮肥氮肥料的主要来源，料的主要来源，据估计，在据估计，在1850-1900年年间，全世界间，全世界无机氮无机氮肥有肥有70%来自来自智利硝石智利硝石，但，但矿产资源矿产资源是有限的，这就迫使人们去思考：如是有限的，这就迫使人们去思考：如何使大气中何使大气中游离态游离态氮，用人工的方法转变成可为植物吸收的氮，用人工的方法转变成可为植物吸收的化合态化合态氮，即氮，即人工固氮人工固氮，一直是，一直是化学家化学家探索的有关探索的有关国计民生国计民生的重大课题，特别是如何利用空气中氮和水中的氢直接的重大课题，特别是如何利用空气中氮和水中的氢直接合成合成氨氨一直一直十九世纪十九世纪化学家化学家研究的焦点之一。但由于长期未获成研究的焦点之一。但由于长期未获成功，以至有人得出功，以至有人得出“由氮和氢直接由氮和氢直接合成氨合成氨是不可能的是不可能的”的错的错误结论。直到误结论。直到1909年年，德国化学，德国化学哈伯哈伯取得了突破性进展，取得了突破性进展，成功地建立了每小时能产生成功地建立了每小时能产生80克氨的装置，从而使人们看克氨的装置，从而使人们看到了解决这一问题的曙光，开创了到了解决这一问题的曙光，开创了合成氨合成氨的历史，的历史，哈伯哈伯也因也因此获得了此获得了1918年年的的诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖。工业合成氨的巨大成功，改变了世界粮食生产工业合成氨的巨大成功，改变了世界粮食生产的历史，解决了世界因人口增长而需要的粮食，的历史，解决了世界因人口增长而需要的粮食，以合成氨为基础原料的化肥工业，对粮食增产以合成氨为基础原料的化肥工业，对粮食增产的贡献率占的贡献率占50%左右。左右。【交流交流研讨研讨1】合成氨反应是一个可逆反应合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知已知298K时时:H=-92.2KJmol-1 S=-198.2Jmol-1.K-1请根据正反应的焓变和熵变分析请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应下合成氨反应能否自发进行？能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数下合成氨反应的平衡常数K为为.（molL-1)-2书书P65 P65 合成氨反应的特点：合成氨反应的特点：可逆反应可逆反应正反应正反应气态物质系数减小气态物质系数减小正反应是放热反应正反应是放热反应熵减小的反应熵减小的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H-92.2kJ/mol(1体积体积)(3体积体积)(2体积体积)S=-198.2JK-1mol-1S=-198.2JK-1mol-1合成氨工业生产时主要考虑的生产条件？合成氨工业生产时主要考虑的生产条件？（1）要使氨生成得更多（即提高平衡混合物）要使氨生成得更多（即提高平衡混合物里氨的含量）里氨的含量）化学平衡问化学平衡问题题（2）要使氨生成得更快（即提高单位时间里）要使氨生成得更快（即提高单位时间里氨的产量）氨的产量）化学反应速率问题化学反应速率问题【交流交流研讨研讨2】请利用化学平衡移动的知识分析请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成什么条件有利于氨的合成书书P65 P65 一、合成氨反应的限度一、合成氨反应的限度1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2_温度、温度、_压强压强有利于化学平衡向有利于化学平衡向生成氨的方向移动生成氨的方向移动，N2、H2体积比为体积比为_时平衡混合物中氨的含量最高。时平衡混合物中氨的含量最高。增大降低1：3研讨结果研讨结果【交流交流研讨研讨3】1、你认为可以通过控制那些反应条件、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？来提高合成氨反应的速率？2、实验研究实验研究表明表明，在特定条件下，合成，在特定条件下，合成氨反应速率与反应的物质的浓度的关系为氨反应速率与反应的物质的浓度的关系为:=C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请你根据关系式分析：各物质的请你根据关系式分析：各物质的浓度浓度对对反反应速率有哪些影响？可以采取哪些措应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？施来提高反应速率？二、合成氨反应的速率二、合成氨反应的速率3、请你根据下表所给的数据分析催化、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：剂对合成氨反应速率的影响：催化剂对合成氨反应速率的影响条件条件 E/KJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700k)使用使用Fe催化剂催化剂1671.升高温升高温度度2.增大压增大压强强3.使用催化剂使用催化剂使用催化剂可使合成氨反应的速率提高使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿上万亿倍。倍。4.4.增大增大N N2 2和和H H2 2浓度浓度,将氨及时从混将氨及时从混合气中分离出去合气中分离出去研讨结果研讨结果 研讨的内容研讨的内容研讨的问题研讨的问题 1、既然增大压强既可提、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工的产量，那么在合成氨工业中业中压强是否越大越好？压强是否越大越好？压强怎么定？压强怎么定？2、既然降低温度有利于、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动平衡向生成氨的方向移动，那么生产中，那么生产中温度温度是否越是否越低越好？低越好？3、催化剂对化学平衡的移动催化剂对化学平衡的移动没有影响，没有影响，在合成氨工业中在合成氨工业中要要不要使用催化剂不要使用催化剂，为什么？为什么？温度怎么选择？温度怎么选择？要不要用催化要不要用催化剂？剂？【交流【交流研讨研讨4】1 1、压强怎么选？、压强怎么选？分析：分析：合成氨反应是气态物质系数减小的气体合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，反应，增大增大压强既可以压强既可以增大增大反应速率，又能使反应速率，又能使平衡正向平衡正向移动，所以理论上压强越大越好移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对但是压强越大，对设备设备的要求高、压缩的要求高、压缩H H2 2和和N N2 2所需要的所需要的动力动力大，因此选择压强应符合大，因此选择压强应符合实际科学技术。实际科学技术。综合以上两点综合以上两点:根据反应器可使用的钢根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。材质量及综合指标来选择压强。实际生产中实际生产中压强一般选择在压强一般选择在200200500500大气压大气压之间。之间。2 2、温度怎么选择？温度怎么选择？分析：分析：因为正反应方向是放热的反应，所以因为正反应方向是放热的反应，所以降低降低温温度有利于平衡度有利于平衡正向正向移动移动。可是可是温度越低温度越低，反应，反应速率越小速率越小，达到平衡所需，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也要的时间越长，因此温度也不宜太低不宜太低。催化剂催化剂要在一定温度下催化要在一定温度下催化活性活性最大。最大。综合以上因素综合以上因素:实际生产中温度一实际生产中温度一般选择在般选择在700K700K左右左右（主要考虑催化剂的（主要考虑催化剂的活性）活性）。3 3、用不用催化剂？、用不用催化剂？实际生产中选用实际生产中选用铁铁为主体的多成分催化剂为主体的多成分催化剂（铁触媒），铁触媒），它在它在700K700K时活性最高。时活性最高。分析分析:经济效益经济效益和和社会效益社会效益要求化学反应速度要快，要求化学反应速度要快，原料的原料的利用率要高利用率要高，单位时间的，单位时间的产量要高产量要高。4 4、浓度怎么定？、浓度怎么定？N N2 2 和和H H2 2的比例怎么定？的比例怎么定？增大增大反应物的浓度可以反应物的浓度可以增大增大反应速率，反应速率，减小减小生成物的浓度可以使平衡生成物的浓度可以使平衡正向正向移动。从化学平衡移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1 1：3 3时，平衡时，平衡转化率最大转化率最大，但是，但是实验测得实验测得适当提高适当提高N N2 2的的浓度，即浓度，即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8时，更能促时，更能促进氨的合成。进氨的合成。实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。其保持一定的浓度。即即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8（阅读书本（阅读书本67页）页）研讨的内容研讨的内容 研讨的问题研讨的问题 研讨结果研讨结果 1、既然增大压强既可、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强在合成氨工业中压强是否越大越好是否越大越好压强怎么定？压强怎么定？2、既然降低温度有利、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中向移动，那么生产中是否温度越低越好是否温度越低越好温度怎么选择？温度怎么选择？3、催化剂对化学平、催化剂对化学平衡的移动没有影响，衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不在合成氨工业中要不要要使用催化剂使用催化剂，为什，为什么？么？要不要用催化要不要用催化剂？剂？根据反应器可使用的钢根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压择压强。实际生产中压强一般选择在强一般选择在200200500500大气压大气压之间之间 综合因素综合因素:实际实际生产中温度一般选择生产中温度一般选择在在700K700K左右左右（主要考（主要考虑催化剂的活性）虑催化剂的活性）。实际生产实际生产中选用中选用铁铁为主体为主体的多成分催化剂的多成分催化剂（铁触媒），铁触媒），它它在在700K700K时活性最时活性最高高。外部条件外部条件工业合成氨的适宜条件工业合成氨的适宜条件压强压强温度温度催化剂催化剂浓度浓度根据反应器可使用的钢材质量及综合指根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强标来选择压强200500个大气压个大气压 适宜温度适宜温度700K右左右左使用使用铁触媒铁触媒作催化剂作催化剂N2和和H2的物质的量比为的物质的量比为1：2.8的投料比的投料比,氨及时从混合气中分离出去氨及时从混合气中分离出去研讨总结研讨总结合合 成成 氨氨 流流 程程 简简 图图合 成 塔氨 分 离 器水 冷 器循环气体压缩机循环压缩机氢氮混合气 解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；19491949年全国氮肥产量仅年全国氮肥产量仅0.60.6万吨；万吨；20002000年达到年达到3363.73363.7万吨，成为世界上产量最万吨，成为世界上产量最高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中中、小合成氨厂小合成氨厂10001000多家多家.通过本节课的学习通过本节课的学习您有什么收获？您有什么收获？【总结总结】