第2章第四節(jié)

《

化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨》新汶中學王菊11.2教學目標【知識與技能】應用化學反應速率和化學平衡原理分析合成氨的適宜條件；【過程與方法】

運用化學反應原理和化工生產(chǎn)條件選擇的的思路和方法分析問題，解決問題；體驗實際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異；【情感態(tài)度與價值觀】認識化學反應速率和化學平衡的原理在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，提升對化學反應的價值的認識，從而贊賞化學科學對個人生活和社會發(fā)展的貢獻。

化學反應速率

化學平衡氣體壓強溫度催化劑濃度回顧：影響化學反應速率和化學平衡的重要因素有哪些?升高溫度,反應速率加快增大壓強,反應速率加快催化劑加快反應速率增大反應物濃度，反應速率加快升高溫度,平衡向吸熱方向移動增大壓強,平衡向氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的方向移動催化劑對平衡無影響增大反應物濃度,平衡正向移動

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(xiàn)大氣固氮——將空氣中豐富的氮固定下來并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式。德國化學家哈伯在1913年實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，因此人們贊揚哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。

弗里茨·哈伯假如你是化工廠的老板，你將如何選擇合成氨的適宜反應條件？都要考慮哪些方面的問題？一、理論1、反應能否自發(fā)進行？（反應方向問題）

2、怎樣能使氨氣產(chǎn)得多？（反應限度問題）3、怎樣能使氨氣產(chǎn)得快？（反應速率問題）

二、實際

生產(chǎn)成本和生產(chǎn)條件基本思路△H-T△S<0增大反應限度（平衡正向移動）加快反應速率合成氨反應：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1思考：請根據(jù)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？反應的方向△H-T△S<0反應能自發(fā)進行反應的特點合成氨反應：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1思考：從反應的可逆性、熱效應、氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)變化的角度分析合成氨的反應特點。a、可逆反應b、放熱反應c、氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的反應思考：根據(jù)反應特點，結(jié)合化學平衡移動的知識，分析什么條件能使氨氣生成得多？反應的限度合成氨反應：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1

降低溫度，

增大壓強有利于化學平衡向生成氨的方向移動1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2在溫度壓強一定時，N2、H2體積比為

1：3時平衡混合物中氨的含量最高。

N2、H2體積比對產(chǎn)率的影響圖在反應達到一定轉(zhuǎn)化率時，將產(chǎn)物氨氣及時從混合氣體中分離出去。思考：結(jié)合影響反應速率的因素，思考什么條件能使氨生成得快？反應的速率合成氨反應：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1合成氨反應的速率與反應的物質(zhì)的濃度的關系為:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)思考：可以采取哪些措施來提高反應速率？增大N2、H2濃度，將氨及時從混合氣中分離出去反應的速率催化劑對合成氨反應速率的影響條件△E（KJ/mol）k(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167使用催化劑可使合成氨反應的速率提高上萬億倍反應的速率討論：催化劑是對合成氨反應速率的影響程度如何？鐵觸媒催化能力【交流研討】

研討的內(nèi)容研討的問題

研討結(jié)果1、既然增大壓強既可提高反應速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好？壓強怎么定？2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？3、催化劑對化學平衡的移動沒有影響，在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑，為什么？溫度怎么選擇？要不要用催化劑？適宜條件的選擇N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8，及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；氮氣和氫氣循環(huán)利用.（閱讀書本67頁最后一段）討論：濃度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？適宜條件的選擇外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑濃度研討的結(jié)果

適宜溫度

700K左右（催化劑活性最大）使用鐵觸媒作催化劑N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8的投料比,氨及時從混合氣中分離出去，未轉(zhuǎn)化的N2和H2進行循環(huán)利用適宜條件的選擇低壓：100個大氣壓中壓：200—300個大氣壓高壓：850—1000個大氣壓工業(yè)上利用某可逆反應生產(chǎn)產(chǎn)品：

一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學反應速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟效益；

選擇合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度；選擇合適的壓強：既要考慮化學反應速率和化學平衡，還要考慮動力、材料、設備等?！拘〗Y(jié)·反思】已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0（催化劑：V2O5在400—500℃催化效果最好）(1)應選用的溫度是______。應采用的壓強是______，理由是___________________________________________________________________________________450℃常壓因為常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強，SO2的轉(zhuǎn)化率提高很少，但會增大設備成本?！驹囈辉嚒恳阎?SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0（4）尾氣中有SO2必須回收是為了

增大氧氣濃度，提高SO2的利用率防止SO2污染空氣(3)在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目是

【試一試】1．在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)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【鞏固提升】2．工業(yè)合成氨的反應是在500℃左右進行，主要原因是（

）A.500℃時反應速率最快

B.500℃時NH3的平衡濃度最大

C.500℃℃時N2的轉(zhuǎn)化率最高

D.500時催化劑能發(fā)揮最大效力D【鞏固提升】3、在合成氨時，可以提高H2轉(zhuǎn)化率的措施是（）(A)延長反應時間(B)充入過量H2(C)充入過量N2(D)升高溫度C【鞏固提升】4.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.高壓低溫D【鞏固提升】5.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,平衡向右移動C.平衡時,SO2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.BC【鞏固提升】哈伯的功與過1905年哈伯在慕尼黑出版了《工業(yè)氣體反應熱力學》一書。書中闡述了他對氮、氫合成反應平衡關系的研究。哈伯經(jīng)過不斷探索和不懈努力，從常溫常壓到高溫高壓，從火花下反應到使用不同催化劑。最后，在200個大氣壓和溫度在500-600℃時，氫、氮反應得到6%以上的氨。1909年7月，哈伯成功地建立了每小時能產(chǎn)生80克氨的實驗裝置。哈伯為合成氨工業(yè)奠定了基礎。耗時5年，終于找到了合適的催化劑，并設計出能長期使用和可操作的簡便合成氨裝置。

1914年第一次世界大戰(zhàn)開始，在戰(zhàn)爭期間該廠為德國提供了世界少有的氮化合物，以生產(chǎn)炸藥和化肥。在哈伯的建議下,德軍首次在戰(zhàn)場上使用毒氣,并有效地打擊了敵人。不過,當毒氣戰(zhàn)計劃傳達給德軍師級指揮官時,遭到了所有指揮官的拒絕。只有部隊被圍困在伊普雷城的阿爾布雷希特公爵予以支持。3個多月后,“毒氣戰(zhàn)”在伊普雷戰(zhàn)役中正式誕生,造成英法聯(lián)軍約15000人中毒,并帶走了5000多人的性命。不過,這場毒氣戰(zhàn)最終并沒有給德國人帶來勝利,卻讓哈伯陷入了眾叛親離的境地。哈伯的妻子克拉克也是化學博士,很清楚毒氣的危害。當她懇求丈夫放棄這種慘無人道的武器時,丈夫不僅咒罵她,還聲稱毒氣是“盡快結(jié)束戰(zhàn)爭的人道武器”。哈伯認為,作為戰(zhàn)爭工具的毒氣,并不比“天上飛的彈體”更殘忍。這些言行遭到來自國際科學界的一致譴責。

憤怒和無奈之下,克拉克用哈伯的手槍自殺身亡。但這并沒有促使狂熱的愛國者冷靜下來。相反,他堅信自己所做的一切,都是“為了人類的和平,為了祖國的戰(zhàn)爭”。1918年，哈伯因研制合成氨作出重大貢獻而獲得諾貝爾化學獎，由于第一次世界大戰(zhàn)中哈伯為德國軍方研制殺人化學武器，哈伯被戰(zhàn)勝國列入戰(zhàn)犯名單。來自英法兩國的科學家尤其激憤。在他們眼里,哈伯是個徹頭徹尾