1、 第2章 化学反应的方向、限度与速率 第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨 弗里茨哈伯：用空气制造面包的天使自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年哈伯领导的科研团队实现了合成氨的工业生产，大大提高了粮食的产量。考试说明解读 了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产的选择与理论分析的差异。通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。教学重点、难点 应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件增大压强、降低温度、增大反
2、应物浓度等。N2、H2体积比为13时平衡混合物中氨的含量最高。学习探究 探究点一：合成氨反应的限度、速率基础自学落实重点互动探究1 合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)。已知 298 K 时：H92.2 kJmol1；S198.2 Jmol1K1。请根据正反应的焓变和熵变分析 298 K 下合成氨反应能否自发进行？答案 假设 H 和 S 不随温度变化，由 HTS92.2 kJmol1T(198.2 Jmol1K1)/1 000 JkJ10 能自发，得 T465.2 K。故 298 K 下合成氨反应能自发进行。2 利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？答案
3、交流研讨1（课本65页）(1)通过、来提高合成氨反应的速率。(2)实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应中各物质浓度的关系为 vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)，根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率的影响是合成氨反应的速率与氮气浓度的 1 次方成正比，与氢气浓度的 1.5 次方成正比，与氨气浓度的 1 次方成反比。可以采取增大浓度，将氨及时从混合气中分离出去的措施来提高反应速率。(3)有、无催化剂对合成氨反应速率影响的对比条件Ea/kJmol1k(催)/k(无)无催化剂3353.41012(700 K)有催化剂167说明了可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。学习探究 使
4、用催化剂升高温度 增大压强 增大反应物浓度N2、H2使用催化剂3.答案如下：利用条件对反应速率的影响分析。交流研讨2（课本66页）学习探究 归纳总结基础自学落实重点互动探究使NH3生产得快和使NH3生产得多的条件条件速率分析平衡分析压强温度催化剂反应物的浓度高压高压高温低温使用无影响增大浓度增大浓度数据分析1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2、H2体积比对产率的影响学习探究 探究点二：合成氨的适宜条件基础自学落实重点互动探究工业合成氨对各种外界条件选择的理由1 压强：高压.通常取用2 107pa 5 107pa理由：合成氨反
5、应是正反应气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大，因此选择压强应符合实际科学技术。2 温度：700K 理由：(1)因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。但是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。(2)主要原因为催化剂在该温度下活性最大。交流研讨2（课本67页）学习探究 基础自学落实重点互动探究N2和H2的物质的量之比为12.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去3.浓度：增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度
6、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13时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量之比为12.8时，更能促进氨的合成。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。理由：经济效益和社会效益要求化学反应速率要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂(铁触媒)，它在700K时活性最高。4 催化剂：使用铁触媒作催化剂理由：学习探究 归纳总结基础自学落实重点互动探究合成氨的适宜条件外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度根据反应器可使用的钢材质
7、量及综合指标来选择压强.通常取用2 107pa 5 107pa适宜温度，700 K左右使用铁触媒作催化剂N2和H2的物质的量比为12.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去学习探究 基础自学落实重点互动探究合 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氢氮混合气参看课本P69页在中压的工艺条件下，合成氨厂出口气中的氨含量一般为13%14%，那么剩余的N2和H2该如何处理呢？选择合成氨的条件时，既不能.也不能，而应该（P68）为了提高合成氨生产的能力，还可以在哪些方面做进一步改进？仿生固氮酶催化剂(科研项目)寻找具有抗毒能力的新型催化剂我国合成氨工业的发展情况：我国
8、合成氨工业开始于20世纪30年代，1949年新中国成立时合成氨厂只有3家，年生产能力不到0.6万吨。经过几十年的努力，我国已经拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家；到2000年，合成氨年产量达到3363.7万吨，从生产能力和产量上都位居世界前列。化学反应的方向化学反应的限度化学反应的速率理论依据实际生产指导 角色转换：假如你是一个工厂的厂长，对工业生产你主要应考虑哪些问题？增大化学反应速率2.单位时间内产率高增大化学反应限度1.原料的利用率高3.未转化合成气(氮气和氢气)的循环使用.4.原料来源、价格。生产中的消耗能源、反应热的综合利用、设备条件、综合经济效益、环境保护等因素
9、。1.工业合成氨反应是700 K左右进行的，这主要原因是（）A.700 K 时氨的平衡浓度最大 B.700 K 时此反应速率最快 C.700 K 时氨的转化率最高 D.700 K 该反应的催化剂能发挥最大的作用 D2.在合成氨工业中，下列操作使平衡向右移动的是（）（A）不断将NH3分离出来（B）使用催化剂（C）采用700K左右的高温（D）采用21075107Pa的压强当堂检测AD3.氨的合成反应，生产中采用的适宜条件是（）。A、低温、高压、适当的催化剂B、高温、常压C、尽可能高温、高压D、适当的温度、适当的高压、适宜催化剂D4.有关合成氨工业的说法中，正确的是（）A.从合成塔出来的混合气体，其
10、中NH3只占约13%14%，所以生产氨的工厂效率都很低。B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高。C.合成氨工业的反应温度控制在700K左右,目的是使化学平衡向正反应方向移动。D.合成氨厂采用的压强是2050 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大。B 5.已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H0。催化剂V2O5在400500 时催化效果最好。(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。作业：1.课本P70页22.课本P71页 4
