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第四节化学反应条件的优化-工业合成氨,同学们都知道氨气被誉为明星分子，她的合成为进一步生产氮肥，保证粮食增产打下了坚实的基础。利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了150年的时间。化学反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起来十分的简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？,化学热力学,化学动力学,化学反应的方向,化学反应的限度,化学反应的速率,合成氨反应能否自发进行？,怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动？,怎样能提高合成氨反应速率？,适宜的合成氨条件,工艺流程,化学工艺学,高压对设备材质、加工制造的要求、温度的催化剂活性的影响等,【交流研讨】,合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),已知298K时:H=-92.2KJmol-1S=-198.2JK-1mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？,合成氨反应的特点：,可逆反应,正反应是放热反应,正反应气态物质系数减小,N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H-92.2kJ/mol(1体积)(3体积)(2体积)S=-198.2JK-1mol-1,【交流研讨】,请利用化学平衡的知识分析什么条件有利于氨的合成,一、合成氨反应的限度,讨论：能否用过量氮气提高氢气转化率？工业合成氨是否采用此方法？,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,NH3%,1:11:21:31:41:51:6,N2:H2,高压,低温,无影响,增大浓度,减小浓度,二、合成氨反应的速率,【交流研讨】,1、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？,2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的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：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？,3、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：,催化剂对合成氨反应速率的影响,合成氨的适宜条件的选择,生成物氨的浓度,反应物的浓度,催化剂,温度,压强,速率分析,使NH3生产得快,外界条件,高压,高温,使用,增大浓度,减小浓度,平衡分析,使NH3生产得多,高压,低温,无影响,增大浓度,减小浓度,【交流研讨】,1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？,压强怎么定？,2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？,3、催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？,温度怎么选择？,要不要用催化剂？,1、压强怎么选？,分析：合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。,综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在200500大气压之间。,2、温度怎么选择？,分析：因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。,可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。,催化剂要在一定温度下催化活性最大。,综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。,3、用不用催化剂？,实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。,分析:经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。,4、浓度怎么定？N2和H2的比例怎么定？,增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。,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，使其保持一定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1：2.8,（阅读书本67页）,研讨的结果,根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强,适宜温度700K左右,使用铁触媒作催化剂,N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去,【总结】,工业上利用某可逆反应生产产品：一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。,【小结反思】,1在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（）（A）不断将NH3分离出来（B）使用催化剂（C）采用700K左右的高温（D）采用21075107Pa的压强,练一练：,BC,2、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（）(A)延长反应时间(B)充入过量H2(C)充入过量N2(D)升高温度,C,下课了，同学们再见！,
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