第4節(jié)化學反應條件的優(yōu)化

——工業(yè)合成氨第4節(jié)化學反應條件的優(yōu)化自從德國化學家哈伯研究出合成氨的方法以后，化學工業(yè)迅猛發(fā)展，為有機合成和炸藥生產提供了原料，但合成氨的研究卻經歷了100多年，這是為什么呢？【思考】（1）你知道工業(yè)合成氨的反應條件嗎？（2）合成氨條件選擇的依據是什么？自從德國化學家哈伯研究出合成氨的方法以后，化學1.了解合成氨反應的特點以及外部條件對合成氨反應的影響。（重點）2.了解合成氨反應的主要流程，了解工業(yè)生產條件選擇的依據和原則。3.知道化學反應速率和化學平衡的調控在生產、生活和科學研究領域中的重要作用。1.了解合成氨反應的特點以及外部條件對合成氨反應的

體會課堂探究的樂趣，汲取新知識的營養(yǎng)，讓我們一起吧！進走課堂體會課堂探究的樂趣，進走課堂19世紀以前，有遠見的化學家曾指出：考慮到將來的糧食問題，為使子孫后代免于饑餓，必須寄希望于科學家能實現大氣固氮——將空氣中豐富的氮固定下來并轉化為可被利用的形式。德國化學家哈伯在1913年實現了合成氨的工業(yè)生產，滿足了20世紀人口由30億增至60億對糧食的需求，因此人們贊揚哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。

弗里茨·哈伯【拓展視野】19世紀以前，有遠見的化學家曾指出：考慮到將來的弗里利用氮氣、氫氣為原料合成氨的工業(yè)化生產曾是一個較難的課題，從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產，約經歷了150年的時間。反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起來十分簡單，為什么合成氨的工業(yè)化生產會經歷如此漫長的過程？合成氨工廠為什么需要龐大而復雜的生產設備和特殊的生產條件？應該從哪些方面選擇合成氨的反應條件？利用氮氣、氫氣為原料合成氨的工業(yè)化生產曾是一個應該從哪些化學反應的方向化學反應的限度化學反應的速率合成氨反應能否自發(fā)進行怎樣能使化學平衡向合成氨方向移動怎樣能提高合成氨反應速率適宜的合成氨條件工藝流程化學工藝學高壓對設備材質、加工制造的要求、溫度對催化劑活性的影響等化學反應的方向化學反應的限度化學反應的速率合成氨反應能否自發(fā)合成氨反應有哪些特點？①可逆反應③正反應氣體體積縮小④正反應是放熱反應②熵減小的反應ΔS<0N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝-92.2kJ·mol-1(1體積)(3體積)(2體積)【思考與交流】合成氨反應有哪些特點？①可逆反應③正反應氣體體積縮?、苷磻铣砂狈磻且粋€可逆反應:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:ΔH=-92.2kJ·mol-1

ΔS=-198.2J·K-1·mol-1合成氨反應的平衡常數K=4.1×106（mol·L-1)-2請根據正反應的焓變和熵變分析298K下合成氨反應能否自發(fā)進行？ΔH-TΔS

=-92.2kJ·mol-1+298K×198.2×10-3kJ·k-1·mol-1=-33.14kJ·mol-1＜0因為ΔH-TΔS<0，298K下合成氨反應能自發(fā)進行。合成氨反應是一個可逆反應:N2(g)+3H2(g)已知增加N2的量能增大H2的轉化率，結合方程式判斷：工業(yè)合成氨時加入氮氣的量是越多越好嗎？N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH

＝－92.2kJ·mol-1【提示】不是。經研究，工業(yè)合成氨采用N2︰H2=1︰2.8效果較好。已知增加N2的量能增大H2的轉化率，結合方程式判斷：工業(yè)合成1︰11︰21︰31︰41︰51︰60.60.50.40.30.20.1NH3%N2︰H21︰11︰21︰31︰41︰31.457.579.892.698.81×108Pa23.142.265.284.295.46×107Pa9.119.138.264.286.42×107Pa4.510.625.152.081.51×107Pa13.826.447.071.089.93×107Pa0.050.10.42.215.31×105Pa400℃600℃500℃300℃

200℃壓強氨含量溫度不同條件下平衡混合氣中氨的體積分數思考相同溫度時增大壓強，反應的程度如何變化？反應的程度增大?！鞠胍幌搿?1.457.579.892.698.823.142.26531.457.579.892.698.81×108Pa23.142.265.284.295.46×107Pa9.119.138.264.286.42×107Pa4.510.625.152.081.51×107Pa13.826.447.071.089.93×107Pa0.050.10.42.215.31×105Pa400℃600℃500℃300℃200℃壓強氨含量溫度不同條件下平衡混合氣中氨的體積分數思考相同壓強時升高溫度，反應的程度如何變化？反應的程度減小。【想一想】31.457.579.892.698.823.142.265使生產氨氣快（速率分析）使生成氨氣多（平衡分析）

壓強

溫度

催化劑高壓高溫使用高壓低溫無影響根據外界條件對反應速率和反應限度的影響，請為工業(yè)合成氨選擇合適的條件：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH

＝-92.2kJ·mol-1【想一想】使生產氨氣快使生成氨氣多壓強溫度催化劑高壓高思考：溫度是否越高越好？壓強是否越大越好？考慮催化劑的活性考慮設備的耐壓能力N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝-92.2kJ·mol-1【想一想】思考：溫度是否越高越好？考慮催化劑的活性考慮設備的耐壓能力N外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑濃度

適宜溫度（500℃左右）使用鐵觸媒作催化劑N2和H2的物質的量比為1︰2.8的投料比,氨及時從混合氣中分離出去2×107～5×107Pa催化劑活性大【研討結果】外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑濃度適宜溫度（51.一般要使用催化劑：2.選擇合適的溫度：3.選擇合適的壓強：既要考慮化學反應速率和化學平衡，還要綜合考慮設備等。該溫度是催化劑活性最大的溫度；加快化學反應速率，提高生產效率，提高經濟效益；工業(yè)上利用某可逆反應生產產品有哪些注意事項？【思考討論】1.一般要使用催化劑：既要考慮化學反應速率和化學平衡，還要綜(雙選)在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產量，下列變化過程不能使平衡向右移動的是（

）A.不斷將NH3分離出來B.使用催化劑C.采用700K左右的高溫D.采用2×107～5×107Pa的壓強BC【學與用】(雙選)在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產量，下列BC【學與合成氨工業(yè)簡述：1.主要流程：原料氣制取→凈化→壓縮→合成→分離→液氨2.原料氣制?。撼Ｓ脡嚎s液態(tài)空氣N2(先逸出)蒸發(fā)制氮氣:（造氣）（凈化）（合成氨）制氫氣:水蒸氣CO+H2CO2+H2H2

熾熱炭H2O(氣)分離出CO2

合成氨工業(yè)簡述：1.主要流程：原料氣制取→凈化→壓縮→合高二《化學反應原理》第4節(jié)--化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨-優(yōu)質課示范課課件合成氨車間外貌合成氨車間外貌合成氨生產裝置合成氨生產裝置合成氨生產控制室合成氨生產控制室氨的合成塔外貌合成氨使用的催化劑氨的合成塔外貌合成氨使用的催化劑貯存液氨的球罐貯存液氨的球罐合成氨的壓縮機合成氨的壓縮機

催化劑的催化能力一般稱為催化活性。催化劑因接觸少量的雜質而使活性明顯下降甚至被破壞，稱為催化劑中毒。催化劑中毒后，往往會完全失去活性，嚴重影響生產的正常進行。例如，對于合成氨反應中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。工業(yè)上為了防止催化劑中毒，要把反應物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設備，提高成本。因此，研制具有較強抗毒能力的新型催化劑，是一個重要的課題。催化劑中毒【拓展視野】催化劑的催化能力一般稱為催化活性。催化劑因接觸催化劑工業(yè)合成氨的適宜條件:(速率較快,轉化率適中，催化劑活性最大)溫度:700K壓強:2×107～5×107Pa（200～500atm）催化劑：鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑)濃度：將生成的氨及時從混合氣中分離出來，且向循環(huán)氣中不斷補充N2、H2（1︰2.8)。工業(yè)合成氨的適宜條件:(速率較快,轉化率適中，催化劑活性最大1.能使合成氨反應進行程度增大的方法是（）A.升高溫度B.降低壓強C.使用催化劑D.及時分離出氨氣 D2.下列反應達到平衡時，哪種條件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2(g)

X2Y4(g)（正反應為放熱反應）()A.高溫高壓B.低溫低壓C.高溫低壓D.低溫高壓D1.能使合成氨反應進行程度增大的方法是（）D2.下列3.合成氨所需的H2可由煤和水蒸氣反應制得，其中一步的反應為：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)（正反應放熱），下列措施中，能提高CO轉化率的是（）A.增大壓強B.升高溫度C.增大水蒸氣濃度D.增大CO濃度C3.合成氨所需的H2可由煤和水蒸氣反應制得，其中一步的C4.對于反應:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)，下列判斷正確的是()A.2體積SO2和足量O2反應,必定生成2體積SO3B.其他條件不變,增大壓強,平衡向左移動C.平衡時,SO2的消耗速率必定等于O2的生成速率的兩倍D.平衡時,SO2濃度必定等于O2濃度的兩倍C4.對于反應:2SO2(g)+O2(g)2SO35.（雙選）在一定條件下，將N2和H2的混合氣體通入固定容積的密閉容器中進行合成氨反應：N2+3H22NH3(正反應為放熱反應)，下列圖像表示正確的是（）AC1.01×105Pa1.01×106PaABCD溫度TN2轉化率溫度TH2轉化率1.01×107Pa1.01×106Pa1.01×105Pa1.01×107PaNH3%溫度TNH3%時間tT1T2【分析】B項，溫度一定時，減小壓強，平衡向逆反應方向移動，氫氣的轉化率降低，圖像表示不正確；D項，由圖像知T1＞T2，溫度升高，平衡向逆反應方向移動，氨氣的含量減少，圖像表示不正確，故B、D項錯誤。5.（雙選）在一定條件下，將N2和H2的混合氣體通入固定AC相信真誠多于虛假，相信美好多于丑惡，我們的心情會暢快很多。相信真誠多于虛假，相信美好多于丑惡，我們的心情會暢快很多。第4節(jié)化學反應條件的優(yōu)化

——工業(yè)合成氨第4節(jié)化學反應條件的優(yōu)化自從德國化學家哈伯研究出合成氨的方法以后，化學工業(yè)迅猛發(fā)展，為有機合成和炸藥生產提供了原料，但合成氨的研究卻經歷了100多年，這是為什么呢？【思考】（1）你知道工業(yè)合成氨的反應條件嗎？（2）合成氨條件選擇的依據是什么？自從德國化學家哈伯研究出合成氨的方法以后，化學1.了解合成氨反應的特點以及外部條件對合成氨反應的影響。（重點）2.了解合成氨反應的主要流程，了解工業(yè)生產條件選擇的依據和原則。3.知道化學反應速率和化學平衡的調控在生產、生活和科學研究領域中的重要作用。1.了解合成氨反應的特點以及外部條件對合成氨反應的

體會課堂探究的樂趣，汲取新知識的營養(yǎng)，讓我們一起吧！進走課堂體會課堂探究的樂趣，進走課堂19世紀以前，有遠見的化學家曾指出：考慮到將來的糧食問題，為使子孫后代免于饑餓，必須寄希望于科學家能實現大氣固氮——將空氣中豐富的氮固定下來并轉化為可被利用的形式。德國化學家哈伯在1913年實現了合成氨的工業(yè)生產，滿足了20世紀人口由30億增至60億對糧食的需求，因此人們贊揚哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。

弗里茨·哈伯【拓展視野】19世紀以前，有遠見的化學家曾指出：考慮到將來的弗里利用氮氣、氫氣為原料合成氨的工業(yè)化生產曾是一個較難的課題，從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產，約經歷了150年的時間。反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起來十分簡單，為什么合成氨的工業(yè)化生產會經歷如此漫長的過程？合成氨工廠為什么需要龐大而復雜的生產設備和特殊的生產條件？應該從哪些方面選擇合成氨的反應條件？利用氮氣、氫氣為原料合成氨的工業(yè)化生產曾是一個應該從哪些化學反應的方向化學反應的限度化學反應的速率合成氨反應能否自發(fā)進行怎樣能使化學平衡向合成氨方向移動怎樣能提高合成氨反應速率適宜的合成氨條件工藝流程化學工藝學高壓對設備材質、加工制造的要求、溫度對催化劑活性的影響等化學反應的方向化學反應的限度化學反應的速率合成氨反應能否自發(fā)合成氨反應有哪些特點？①可逆反應③正反應氣體體積縮?、苷磻欠艧岱磻陟販p小的反應ΔS<0N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝-92.2kJ·mol-1(1體積)(3體積)(2體積)【思考與交流】合成氨反應有哪些特點？①可逆反應③正反應氣體體積縮?、苷磻铣砂狈磻且粋€可逆反應:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:ΔH=-92.2kJ·mol-1

ΔS=-198.2J·K-1·mol-1合成氨反應的平衡常數K=4.1×106（mol·L-1)-2請根據正反應的焓變和熵變分析298K下合成氨反應能否自發(fā)進行？ΔH-TΔS

=-92.2kJ·mol-1+298K×198.2×10-3kJ·k-1·mol-1=-33.14kJ·mol-1＜0因為ΔH-TΔS<0，298K下合成氨反應能自發(fā)進行。合成氨反應是一個可逆反應:N2(g)+3H2(g)已知增加N2的量能增大H2的轉化率，結合方程式判斷：工業(yè)合成氨時加入氮氣的量是越多越好嗎？N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH

＝－92.2kJ·mol-1【提示】不是。經研究，工業(yè)合成氨采用N2︰H2=1︰2.8效果較好。已知增加N2的量能增大H2的轉化率，結合方程式判斷：工業(yè)合成1︰11︰21︰31︰41︰51︰60.60.50.40.30.20.1NH3%N2︰H21︰11︰21︰31︰41︰31.457.579.892.698.81×108Pa23.142.265.284.295.46×107Pa9.119.138.264.286.42×107Pa4.510.625.152.081.51×107Pa13.826.447.071.089.93×107Pa0.050.10.42.215.31×105Pa400℃600℃500℃300℃

200℃壓強氨含量溫度不同條件下平衡混合氣中氨的體積分數思考相同溫度時增大壓強，反應的程度如何變化？反應的程度增大。【想一想】31.457.579.892.698.823.142.26531.457.579.892.698.81×108Pa23.142.265.284.295.46×107Pa9.119.138.264.286.42×107Pa4.510.625.152.081.51×107Pa13.826.447.071.089.93×107Pa0.050.10.42.215.31×105Pa400℃600℃500℃300℃200℃壓強氨含量溫度不同條件下平衡混合氣中氨的體積分數思考相同壓強時升高溫度，反應的程度如何變化？反應的程度減小。【想一想】31.457.579.892.698.823.142.265使生產氨氣快（速率分析）使生成氨氣多（平衡分析）

壓強

溫度

催化劑高壓高溫使用高壓低溫無影響根據外界條件對反應速率和反應限度的影響，請為工業(yè)合成氨選擇合適的條件：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH

＝-92.2kJ·mol-1【想一想】使生產氨氣快使生成氨氣多壓強溫度催化劑高壓高思考：溫度是否越高越好？壓強是否越大越好？考慮催化劑的活性考慮設備的耐壓能力N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝-92.2kJ·mol-1【想一想】思考：溫度是否越高越好？考慮催化劑的活性考慮設備的耐壓能力N外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑濃度

適宜溫度（500℃左右）使用鐵觸媒作催化劑N2和H2的物質的量比為1︰2.8的投料比,氨及時從混合氣中分離出去2×107～5×107Pa催化劑活性大【研討結果】外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑濃度適宜溫度（51.一般要使用催化劑：2.選擇合適的溫度：3.選擇合適的壓強：既要考慮化學反應速率和化學平衡，還要綜合考慮設備等。該溫度是催化劑活性最大的溫度；加快化學反應速率，提高生產效率，提高經濟效益；工業(yè)上利用某可逆反應生產產品有哪些注意事項？【思考討論】1.一般要使用催化劑：既要考慮化學反應速率和化學平衡，還要綜(雙選)在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產量，下列變化過程不能使平衡向右移動的是（

）A.不斷將NH3分離出來B.使用催化劑C.采用700K左右的高溫D.采用2×107～5×107Pa的壓強BC【學與用】(雙選)在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產量，下列BC【學與合成氨工業(yè)簡述：1.主要流程：原料氣制取→凈化→壓縮→合成→分離→液氨2.原料氣制?。撼Ｓ脡嚎s液態(tài)空氣N2(先逸出)蒸發(fā)制氮氣:（造氣）（凈化）（合成氨）制氫氣:水蒸氣CO+H2CO2+H2H2

熾熱炭H2O(氣)分離出CO2

合成氨工業(yè)簡述：1.主要流程：原料氣制取→凈化→壓縮→合高二《化學反應原理》第4節(jié)--化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨-優(yōu)質課示范課課件合成氨車間外貌合成氨車間外貌合成氨生產裝置合成氨生產裝置合成氨生產控制室合成氨生產控制室氨的合成塔外貌合成氨使用的催化劑氨的合成塔外貌合成氨使用的催化劑貯存液氨的球罐貯存液氨的球罐合成氨的壓縮機合成氨的壓縮機

催化劑的催化能力一般稱為催化活性。催化劑因接觸少量的雜質而使活性明顯下降甚至被破壞，稱為催化劑中毒。催化劑中毒后，往往會完全失去活性，嚴重影響生產的正常進行。例如，對于合成氨反應中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。工業(yè)上為了防止催化劑中毒，要把反應物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設備，提高成本。因此，研制具有較強抗毒能力的新型催化劑，是一個重要的課題。催化劑中毒【拓展視野】催化劑的催化能力一般稱為催化活性。催化劑因接觸催化劑工業(yè)合成氨的適宜條件:(速率較快,轉化率適中，催化劑活性最大)溫度:700K壓強:2×107～5×107Pa（200～500atm）催化劑：鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑)濃度：將生成的氨及時從混合氣中分離出來，且向循環(huán)氣中不斷補充N2、H2（1︰2.8)。工業(yè)合成氨的適宜條件:(速率較快,轉化率適中，催化劑活性最大1.能使合成氨反應進行程度增大的方法是（）A.升高溫度B.降低壓強C.使用催化劑D.及時分離出氨氣 D2.下列反應達到平衡時，哪種條件下生成物的含量最高：X2