第二章第四節(jié)

化學反應(yīng)的調(diào)控核心素養(yǎng)發(fā)展目標1.變化觀念與平衡思想：知道如何應(yīng)用化學反應(yīng)速率和化學平衡分

析合成氨的適宜條件，體會應(yīng)用化學原理分析化工生產(chǎn)條件的思

路和方法。2.科學態(tài)度與社會責任：認識化學反應(yīng)速率和化學平衡的調(diào)控在工

業(yè)生產(chǎn)中的重要應(yīng)用，探索最適宜的化工生產(chǎn)條件。綿延不斷的戰(zhàn)爭瘟疫等自然災(zāi)害糧食產(chǎn)量低，不能解決溫飽問題1900年以后，世界人口快速增長1800年以前，世界人口增速緩慢？新的氮肥醫(yī)療水平低下氧化法N2(g)＋O2(g)

2NO(g)

還原法N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)

298KK＝3.8×10-31

298KK=5.0×108思考：選用哪種方法固氮？通過對比，合成氨是可行的N2NONO2HNO3

硝酸鹽

N2NH3

銨鹽1918年，德國化學家弗里茨·哈伯，研究從單質(zhì)氮氣合成氨而獲獎1931年，德國化學家卡爾·博施發(fā)展合成氨化學高壓技術(shù)而獲獎2007年德國化學家格哈德·埃特爾由于他的固體表面化學反應(yīng)的研究而獲獎哈伯合成氨實驗裝置

壓強：17.5—20MPa溫度：500—600°C催化劑：鋨金屬氨的含量：6%用空氣制造面包的圣人任務(wù)一：如何提高合成氨中，平衡混合物中氨的百分含量？

化學平衡角度化學反應(yīng)速率角度1.合成氨反應(yīng)的特點：合成氨反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)=2NH3(g)。已知298K時：ΔH＝－92.4kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。常溫(298K)下，ΔG=ΔH－TΔS

<0，能自發(fā)進行。

一、合成氨原理分析

①放熱反應(yīng)②熵減小的反應(yīng)

體積縮小的反應(yīng)

③ΔH

<0ΔS

<0低溫能自發(fā)進行對合成氨反應(yīng)得影響

影響因素

濃度溫度壓強催化劑提高平衡混合物中氨的含量2.原理分析：根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點，如何選擇反應(yīng)條件，提高平衡混合物中氨的含量？增大壓強及時移走生成物氨氣n(N2):n(H2)1:3降低溫度無影響≈任務(wù)二：如何驗證理論的真實性？設(shè)計實驗控制單一變量1.壓強①理論分析：根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點，壓強越大越有利于合成氨，能提高平衡混合物中氨的百分含量

②實驗分析：與理論一致二、合成氨實驗分析控制變量n(N2):n(H2)1:3400°C≈2.溫度①理論分析：根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點，低溫有利于提高原料的平衡轉(zhuǎn)化率，能提高平衡混合物中氨的百分含量②實驗分析：與理論一致控制變量n(N2):n(H2)1:310MPa≈3.濃度理論分析：增大反應(yīng)物濃度，及時移走生成物有利于合成氨（n(N2):n(H2)1:3）實驗分析：與理論一致≈從化學平衡角度，合成氨的適宜條件濃度

及時移走生成物氨氣，n(N2):n(H2)1:3

低溫高壓≈三、從化學反應(yīng)速率考慮合成氨有利于加快合成氨速率的因素對合成氨反應(yīng)得影響

影響因素

濃度溫度壓強催化劑增大合成氨的反應(yīng)速率增大反應(yīng)物的濃度升高溫度增大壓強合適的催化劑對合成氨反應(yīng)得影響

影響因素

濃度溫度壓強催化劑增大合成氨的反應(yīng)速率提高平衡混合物中氨的含量增大反應(yīng)物濃度升高溫度增大壓強使用合適催化劑n(N2):n(H2)1:3移走生成物氨氣降低溫度增大壓強任務(wù)三：根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點，如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量？≈綜合考慮（合成氨反應(yīng)速率及平衡時氨的含量）1.壓強10-30MPa設(shè)備的承壓能力，安全操作2.催化劑

鐵觸媒

降低合成氨反應(yīng)的活化能，加快反應(yīng)速率3.溫度400-500℃催化劑的活性最強條件活化能KJ/molK(催)/K（無）無催化劑3353.4×1012(700K）鐵觸媒催化劑167溫度/℃

氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.386.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.1013.823.131.4任務(wù)四：如何進一步提高氮氣和氫氣的轉(zhuǎn)化率？不同條件下，合成氨反應(yīng)達平衡時，混合物中氨的百分含量4.濃度

n(N2):n(H2)1:3及時移走生成物氨氣，

將分離后的氮氣和氫氣循環(huán)使用，并及時補充原料氣，

使反應(yīng)物保持一定濃度?！趾铣砂狈磻?yīng)中，鐵催化劑的反應(yīng)機理

①xFe+N2→FexN②FexN+[H]吸→FexNH

③FeNH+[H]吸→FexNH2④FexNH2+[H]吸→FexNH3

⑤FexNH3→xFe+NH3再說催化劑含S、P、As的化合物能使鐵催化劑永久性中毒，失去活性，因此原料氣必須凈化合成氨領(lǐng)域重大發(fā)現(xiàn)1908年，哈伯研究合成氨獲得成功，不僅為人類開辟了人工固氮的途徑，而且對化學工藝的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響1931年，博施研究因發(fā)展合成氨高壓技術(shù)獲得成功2007年，埃特爾闡明了氮氣與氫氣在鐵催化劑表面反應(yīng)的七個步驟，并發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的合成氨反應(yīng)中最慢的一步，進行了有效的疏通，使整個反應(yīng)的效率大為改觀2016年，中國科學家研制出一種雙活性中心新型催化劑，把合成氨條件降到了350℃、1MPa，為發(fā)展新型催化劑提供了新的思路思考：為了提高合成氨的生產(chǎn)能力，我們還可以在哪些方面做進一步改進？尋找更耐壓的金屬材料仿生固氮酶課題的突破尋找抗毒能力強的新型催化劑合成氨生產(chǎn)簡易流程示意圖

合成氨工業(yè)防止催化劑中毒原理分析任務(wù)五：對于一個化學反應(yīng)，如何選擇反應(yīng)適宜條件？工業(yè)理論分析調(diào)控目的確定反應(yīng)實踐驗證化學平衡反應(yīng)速率設(shè)備、成本安全、環(huán)保確定最終條件1.CO可用于合成甲醇，化學方程式為CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同溫度下平衡轉(zhuǎn)化率與壓強的關(guān)系如圖。該反應(yīng)ΔH

(填“>”或“<”)0。實際生產(chǎn)條件控制在250℃、1.3×104kPa左右，選擇此壓強的理由是______________________________________

_____________________________________________________________________在250℃、1.3×104kPa下，CO的轉(zhuǎn)化率已較高，再增大壓強，CO的轉(zhuǎn)化率提高不大，而生產(chǎn)成本增加，經(jīng)濟效益低任務(wù)六：

課堂演練<溫度平衡時SO2的轉(zhuǎn)化率(%)1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.32.在硫酸工業(yè)中.通過下列反應(yīng)2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H<0。制備SO3過程中使用的催化劑是V2O5。下表為不同溫度和壓強下SO2的轉(zhuǎn)化率，試回答下列問題：（1）實際生產(chǎn)中，選定400～500℃作為操作溫度，是由于_______________。（2）實際生產(chǎn)中采用的壓強為常壓，原因是

_______________。

（3）根據(jù)化學原理綜合分析，為了使SO2盡可能轉(zhuǎn)化為SO3，可控制的條件是_______________________。此溫度下，催化劑活性最高在常壓下，SO2的轉(zhuǎn)化率（97.5%）已經(jīng)很高，若再加壓，平衡正向移動效果不明顯，且對設(shè)備要求高，成本高3450℃、常壓、催化劑

3.合成氨工業(yè)中，原料氣(N2、H2及少量CO、NH3的混合氣)在進入合成塔前常用醋酸二氨合銅溶液來吸收原料氣中的CO，其反應(yīng)是：Cu(NH3)2Ac