1、第2章 第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化 工業(yè)合成氨,高中化學(xué)選修化學(xué)反應(yīng)原理,建甌一中 劉明,回顧一段歷史 ,勒夏特列,能斯特,氨(NH3),理論計(jì)算： 高壓條件下：N2+3H22NH3,德國(guó)物理學(xué)家、 化學(xué)家能斯特,理論計(jì)算：合成氨是不能進(jìn)行的！,熱力學(xué)數(shù)據(jù),快找哈伯來！,我要成為百萬富翁啦！啦！,1908年7月，哈伯在實(shí)驗(yàn)室用N2和H2在600，200個(gè)大氣壓下合成出氨，產(chǎn)率僅有2%,德國(guó)化學(xué)家 弗里茨哈伯,1911年到1913年，合成了1000噸液氨，并且用它制造出3500噸烈性炸藥TNT,討論1：假如你是一個(gè)工廠的廠長(zhǎng)， 對(duì)工業(yè)生產(chǎn)你主要應(yīng)考慮哪些問題？,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益：,增大化學(xué)反應(yīng)

2、速率,單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)率高,增大化學(xué)反應(yīng)限度,原料的利用率高,另外還要考慮生產(chǎn)中的消耗能源、原料來源、設(shè)備條件、環(huán)境保護(hù)等因素。,提高綜合經(jīng)濟(jì)效益,原理探討,實(shí)際論證,單位時(shí)間里提高合成氨的產(chǎn)量,（從化學(xué)反應(yīng)的速率考慮）,提高平衡混合物中氨的含量,（從化學(xué)平衡的移動(dòng)考慮）,從生產(chǎn)成本、動(dòng)力、材料、設(shè)備 等對(duì)上述理論探討進(jìn)一步論證，以得出合理的結(jié)論。,一 、合成氨反應(yīng)的限度,1、請(qǐng)根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變， 分析K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？,資料：交流研討,、請(qǐng)利用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)分析 什么條件有利于氨的合成？,討論2：請(qǐng)同學(xué)們寫出合成氨的化學(xué)反應(yīng)方程式，并討論說明這個(gè)反應(yīng)方程式有什么特點(diǎn)？,特點(diǎn)：

3、 a、可逆反應(yīng) b、正反應(yīng)放熱 c、正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng),N2+3H2 2NH3,（正反應(yīng)放熱）,達(dá)到平衡時(shí)平衡混合物中NH3的含量 （體積分?jǐn)?shù)） V(N2):V(H2)=1:3 ,二、合成氨反應(yīng)的速率,1、結(jié)合影響反應(yīng)速率的因素， 思考什么條件 能使氨生成得快？,升高溫度 增大壓強(qiáng) 增大反應(yīng)物濃度 使用催化劑,資料：交流研討,討論：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)合成氨的特點(diǎn)，從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個(gè)角度來綜合分析，合成氨應(yīng)采取什么反應(yīng)條件？,高壓,高壓,高溫,低溫,使用,不影響,高壓,高壓,高溫,低溫,使用,不影響,一致,矛盾,既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是

4、否越大越好？,既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？,思考,在合成氨工業(yè)中要使用催化劑，既然催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒有影響，為什么還要使用呢？,【交流研討】,1、既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好？,壓強(qiáng)怎么定？,2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？,3、 催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng) 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？,要不要催化劑？,壓強(qiáng)怎么選？,分析： 合成氨反應(yīng)是體積縮小的氣體反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動(dòng)，所以理論上壓

5、強(qiáng)越大越好。 但是壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動(dòng)力大，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。,綜合以上兩點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中壓強(qiáng)一般選擇在200500大氣壓之間。,思考,問題,溫度怎么選擇？,分析： 因?yàn)檎磻?yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫 度有利于平衡正向移動(dòng)。, 可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)到平衡所 需要的時(shí)間越長(zhǎng)，因此溫度也不宜太低。, 催化劑要在一定溫度下催化活性最大。,綜合以上因素，實(shí)際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）。,思考,問題,鐵觸媒催化能力,資料4：,用不用催化劑？,思考,問題,催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響,使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上

6、萬億倍。,資料5：,用不用催化劑？,實(shí)際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在500時(shí)活性最高。,分析: 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快，原料的利用率要高，單位時(shí)間的產(chǎn)量要高。,思考,問題,思考,問題,即使在500和30MPa時(shí)，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？,實(shí)驗(yàn)表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為, = C(N2) C1.5(H2) C-1(NH3),資料6：,N2+3H2 2NH3,（正反應(yīng)放熱）,分析：保持一定的N2、H2濃度，減少氨氣的濃度，可以提高合成氨的效率和產(chǎn)量。,實(shí)際生產(chǎn)中的處

7、理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化而分離出去；及時(shí)補(bǔ)充氮?dú)夂蜌錃?，使其保持一定的濃度?思考,問題,即使在500和30MPa時(shí)，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？,還可以在哪些方面做進(jìn)一步的改進(jìn)？,增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動(dòng)。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1：3時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的分壓比為1：2.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。,既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率， 也不能只追求高反應(yīng)速率，而應(yīng)該,研討的結(jié)果,高壓 200500大氣壓,適宜溫度 700K左右,使

8、用鐵觸媒作催化劑,液化氨并及時(shí)分離、補(bǔ)氮?dú)湓蠚庋h(huán) n(N2):n(H2)=1:2.8 ,小 結(jié),1、合成氨的工業(yè)條件的選擇 反應(yīng)速率和化學(xué)平衡共同作用的結(jié)果 2、選擇合成氨的條件時(shí)，既不能片面地 追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速 率，而應(yīng)該,小結(jié)：合成氨選擇適宜生產(chǎn)條件的原則,1.既要注意外界條件對(duì)反應(yīng)影響的一致性， 又要注意外界條件對(duì)反應(yīng)影響的矛盾性。,2.既要注意溫度、催化劑對(duì)速率影響的一致 性；又要注意催化劑的活性對(duì)溫度的限制。,3.既要注意注意理論上的需要，又要注意 實(shí)際操作的可能性。,工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品： 一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，

9、也提高了經(jīng)濟(jì)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(qiáng)：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要考慮動(dòng)力、材料、設(shè)備等。,【小結(jié)反思】,課 堂 反 思,1、知識(shí)收獲：,2、方法收獲：,3、我的疑惑：,設(shè)想合成氨的發(fā)展前景,化學(xué)模擬生物固氮,豆科植物根部長(zhǎng)有根瘤，根瘤菌中存在固氮酶，所以豆科植物在常溫常壓下才能將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨。 固氮酶很怕氧，所以整個(gè)研究過程中必須嚴(yán)格無氧，這無疑給研究增加了難度。所以時(shí)至今日，固氮酶的固氮機(jī)理之謎還沒解開。,如果小麥、水稻也能自行固氮，那將給人類帶來哪些方面的好處？,可以減少農(nóng)田施用氮肥的費(fèi)用，降低糧食的生產(chǎn)成本； 可以減少氮肥的

10、生產(chǎn)，既有利于節(jié)省能源，又有利于避免出現(xiàn)因過量施用氮肥而造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化。,思考,合成氨廠的實(shí)地照片,回答下列問題： 1、合成氨生產(chǎn)時(shí)，為什么不采用盡可能高的壓強(qiáng)？通常采用21075 107Pa 的壓強(qiáng)？ 2、實(shí)際生產(chǎn)中，為什么溫度不能太高而采用適當(dāng)高溫（ 500 ）？ 3、在高溫高壓下，為什么還要使用催化劑？ 4、你認(rèn)為合成氨中，氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比為多少最佳，為什么？,思考題,合成氨生產(chǎn)示意圖,氫氮混和氣,水冷器,循環(huán)壓縮機(jī),合成氨簡(jiǎn)要流程示意圖,液氨,合成塔,氨分離器,合成氨的工業(yè)流程,1、壓縮機(jī)、合成塔 2、熱交換過程 3、氨的分離 4、循環(huán)操作過程 5、流程演示,氨的合成塔剖面圖,返

11、回,2.合成氨工業(yè)流程,原料氣的制取,凈化,壓縮,合成,分離,液氨,解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬噸，而1982年達(dá)到1021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。,改革開放以來，我國(guó)引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。,解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬噸，而1982年達(dá)到1021.9萬噸，成為

12、世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。,上海吳涇化工廠是年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠,南京化工企業(yè)的大型氮肥廠,C,2.下列事實(shí)中不能用勒夏特列原理來解釋的是（ ）,A.工業(yè)制硫酸的過程中通入足量的空氣,可以提高SO2的產(chǎn)率,B.加入催化劑有利于合成氨反應(yīng),C.高壓有利于合成氨反應(yīng),D.500左右比室溫更有利于合成氨反應(yīng),BD,3、密閉容器中的可逆反應(yīng)：CO + NO2 CO2 + NO （正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。達(dá)到平衡后，只改變下列的一個(gè)條件，填寫有關(guān)的空白：,增大容器的體積，平衡 ，c（NO2）將 ， 反應(yīng)混合物的顏色 。 升高溫度，平衡 ，體系的壓強(qiáng) 。 加入催化劑，平衡 ，NO2的物質(zhì)的量 。 通入

13、O2，反應(yīng)體系的顏色 ，NO的物質(zhì) 的量 。 通入N2 ，體系壓強(qiáng) ，平衡 。,不移動(dòng),減小,變淺,逆向移動(dòng),不變,不移動(dòng),不變,先變深，后變淺,先減少，后增多,增大,不移動(dòng),A,B,C,D,D,D,D,B,8、下列說法正確的是（ ） A、在高溫下，將氯化銨晶體加入處于平衡狀態(tài)的合成氨反應(yīng)時(shí)，平衡不發(fā)生移動(dòng) B、在密閉容器中，當(dāng)CaCO3 CaO + CO2處于平衡狀態(tài)時(shí)，再加入Na2O2固體，CaCO3的量會(huì)減少。 C、有固體參加的可逆反應(yīng)達(dá)平衡后，若改變壓強(qiáng)，不會(huì)影響平衡的移動(dòng) D、在合成氨反應(yīng)中，使用催化劑能提高反應(yīng)速率，使氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，從而增加氨的產(chǎn)量,B,、氨的合成反應(yīng)，生產(chǎn)中采

14、用的適宜條件是（ ）。,A、低溫、高壓、適當(dāng)?shù)拇呋瘎?B、高溫、常壓,C、盡可能高溫、高壓,D、適當(dāng)?shù)臏囟?、適當(dāng)?shù)母邏骸⑦m宜催化劑,D,合成氨工業(yè)有下列流程：原料氣制備；氨的合成；原料氣凈化和壓縮；氨的分離。其先后順序?yàn)? ) AB C D,B,、促使化學(xué)平衡N2+3H2 2NH3+Q 向右移動(dòng)的措施是（ ） A通入惰性氣體 B通入N2 C通NH3氣。 D容器體積增大,B,1合成氨所需的 可由煤和水蒸氣反應(yīng)而制得，其中一步的反應(yīng)為CO + H2O CO2 + H2 （正反應(yīng)放熱），下列措施中，能提高CO轉(zhuǎn)化率的是（ ） A增大壓強(qiáng) B降低溫度 C增大水蒸氣濃度 D增大濃度,B C,、在密閉容器中，放入5mol H2，3mol N2以合成氨，平衡時(shí)生成氨為2mol，則平衡時(shí)壓強(qiáng)是起始時(shí)壓強(qiáng)的（ ） A1.3倍 B2倍 C0.75倍 D0.25倍,C,.已知2SO2(g)+O2(g)