1、 第2章 第四节 化学反应条件的优化 工业合成氨 高中化学选修化学反应原理 1914年，第一次世界大战爆发 原来德国以哈伯为首的一批化学家克服了当时的世界化学难题以廉价的空气、水和煤炭合成了重要的制造肥料和炸药的化工原料氨气。因为哈伯对合成氨工业所取得的重大成就，哈伯获得了1918年的诺贝尔化学奖，人们赞扬他为用空气制造出面包的天使。德国化学家弗里茨哈伯氨硝酸染料炸药铵盐化肥工业冷冻(致冷剂)磺胺药物机械工业石油加工氰化物金属冶炼与 CO2反应尿素(作为肥料,尿素含氮量最高,是中性速效肥料,不会影响土质)塑料合成纤维丁腈橡胶(氨氧化法)假如将来你是一个合成氨工厂的厂长，对工业生产你会考虑哪些问
2、题？交流研讨（P65）：已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0。在298K时:_反应 正反应为_反应 正反应为气体体积_的反应 反应特点 可逆 放热 减小 _自发进行的反应 能 HTS=33.14 kJmol1【自主探究】根据合成氨反应的特点应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？请填写下表外界条件使NH3 生产的多使NH3 生产的快平衡分析速率分析压强催化剂温度浓度高压高压高温低温使用无影响增大反应物浓度增大反应物浓度减小生成物浓度实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度关系式为：则各物质浓度对反应速率有何影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？增大
3、氮气和氢气的浓度，减小氨气的浓度【自主探究】【合作探究】据合成氨反应的特点应分别采取一些措施提高反应的平衡转化率和反应速率，但是二者能否一致？外界条件使NH3 生产的多使NH3 生产的快平衡分析速率分析压强催化剂温度浓度高压高压高温低温使用无影响增大反应物浓度增大反应物浓度减小生成物浓度一致矛盾一致 减小生成物浓度结合外界条件对合成氨反应的平衡和速率的影响，请小组探究，工业中合成氨的适宜条件。【合作 探究】三、合成氨的适宜条件 温馨提示: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。温馨提示：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
4、选择多大比较合适？是不是越大越好？压强怎么选？2合成氨反应的适宜条件(1)压强 适宜条件 理论依据：压强越大，要求动力越大，对材料和设备的制造要求就越高。用不用催化剂？催化剂对合成氨反应速率的影响根据使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍分析，在合成氨工业中我们到底需不需要使用催化剂？答：需要，因为使用催化剂虽然不能提高合成氨的限度，但是可大大提高合成氨反应的速率，大大的缩短到达平衡的时间。条件 Ea/KJ/molk(催)/k(无)无催化剂3353.41012/(100k)使用Fe催化剂167 温度怎么选择？温馨提示：既然降低温度有利于平衡向合成氨的方向移动，但是合成氨的速率会降低，那么温
5、度我们应该如何选择？1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2浓度怎么选择？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，可提高H2的转化率，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。浓度怎么选择？0.1 10 20 30 60 100 400 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 500 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 600 0.4 25.
6、1 38.2 47.0 65.2 79.8 700 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 800 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4 压强/MPa NH3含量/%温度/K 即使在700K和30MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，转化率仍不够大，还可采取什么办法？合 成 氨 流 程 简 图合成塔氨分离器液氨水 冷 器循环气体压缩机循环压缩机氮氢混合气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（1：2.8）。小结1、合成氨的工业条件的选择反应速率和化学平衡共同作用的结果2、选择合
7、成氨的条件时，既不能片面地 追求高转化率，也不能只追求高反应速 率，而应该合成氨适宜条件催化剂_温度_根据设备动力选择压强：N2、H2投料比_及时分离_铁触媒700K左右低压(1107Pa)、中压(2107Pa(3107Pa)、高压(8.5107Pa 1108Pa)、1:2.8氨气浓度：三、合成氨的适宜条件1、关于氨的合成工业的下列说法正确的是（）(A)从合成塔出来的气体，其中氨一般占15%，所以生产氨的工业的效率都很低(B)由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来氨的产率很高(C)合成氨工业的反应温度控制在500 左右，目的是使平衡向正反应方向进行(D)合成氨工业采用20 MPa-
8、50MPa，是因该条件下催化剂的活性最好BC 2.有如下平衡体系：CO（g）+2H2（g）CH3OH(g)（正反应为放热反应），为了增加甲醇的产量，应采取的正确措施是（）A.高温、高压 B.低温、低压 C.适当的温度、适当的高压、适宜的催化剂 D.高温、高压、催化剂 3、合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：CO+H2O CO2+H2(正反应放热)，下列措施中，能提高CO转化率的是（）A增大压强B升高温度 C增大水蒸气浓度D增大浓度C 已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H0其实验数据见表：(1)应选用的温度是_。(2)应采用的压强是_，理由是_450常压因为常压
9、下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。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】外界条件有利于加快速率的条件控制有利于平衡移动的条件控制综合分析结果浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度、减小生成物的浓度不断地补充反应物、及时地分离出生成物催化剂加合适的催化剂不需要加合适的催化剂温度高温H0低温兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度H0高温在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并选取催化剂压强高压(有气体参加)(g)0高压在设备条件允许的前提下，尽量采取高压(g)0低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强四、合成氨工业简述：1、主要流程：原料气制取净化压缩合成分离液氨2、原料气制取：空气压缩碳液态空气N2(沸点低先逸出)蒸发CO2(+N2)N2分离出CO2制氮气:（造气）（净化）（合成氨）（N2、H2）制氢气:天然气CO+H2CO2+H2H2H2O(气)分离出CO2CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)H2O(气)