高二化学《化学反应条件的优化》课件
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文档简介
(共43张PPT)
化学反应条件的优化
----工业合成氨
复习
影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些
化学反应速率 化学平衡
温度
气体压强
催化剂
浓度
温度越高,反应速率越大
压强越大,反应速率越大
正催化剂加快反应速率
反应物浓度越大,反应速率越大
升高温度,平衡向吸热方向移动
增大压强,平衡向气态物质系数减小的方向移动
催化剂对平衡无影响
增大反应物浓度,平衡正向移动
弗里茨·哈伯：
弗里茨·哈伯与合成氨
合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂--铁，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。
化学热力学
化学动力学
化学反应的方向
化学反应的限度
化学反应的速率
合成氨反应能否自发进行？
怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动？
怎样能提高合成氨反应速率？
适宜的合成氨条件
工艺流程
化学工艺学
高压对设备材质、
加工制造的要求、温度
的催化剂活性的影响等
【交流·研讨】
合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
已知298K时: △H= -92.2KJ·mol-1
△S = -198.2J·K-1·mol-1
请根据正反应的焓变和熵变分析298K下
合成氨反应能否自发进行？
298K下合成氨反应的平衡常数K为４.１×１０６（mol·L-1)-2
书P65
合成氨反应的特点：
①可逆反应
③正反应气态物质系数减小
④正反应是放热反应
②熵减小的反应
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol
(1体积) (3体积) (2体积)
△S = -198.2J·K-1·mol-1
一、合成氨反应的限度
【交流·研讨】
请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成．
书P65
1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
NH3%
N2:H2
___温度、___压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为_____时平衡混合物中氨的含量最高。
增大
降低
1：3
二、合成氨反应的速率
【交流·研讨】
1、你认为可以通过控制那些反应条件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的物质的浓度的关系为:
ν =κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)
书P66
3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：
催化剂对合成氨反应速率的影响
条件 △ E /KJ/mol k(催)/k(无)
无催化剂 335 3.4×1012(700k)
使用Fe催化剂 167
1.升高温度
2.增大压强
3.增大反应物浓度
4.使用催化剂
5.增大N2`H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去
使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。
合成氨的适宜条件的选择
生成物氨的浓度
反应物的浓度
催化剂
温度
压强
速率分析
使NH3生产得快
外界条件
高压
高温
使用
增大浓度
减小浓度
平衡分析
使NH3生产得多
高压
低温
无影响
增大浓度
减小浓度
【交流·研讨】
研讨的内容 研讨的问题
1、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是否越大越好？
压强怎么定？
2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？
3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？
温度怎么选择？
要不要用催化剂？
1、压强怎么选？
分析：
①合成氨反应是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。
②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。
综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在100～1000大气压之间。
2、温度怎么选择？
分析：
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。
②可是温度越低，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。
③催化剂要在一定温度下催化活性最大。
综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。
3、用不用催化剂？
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。
分析:
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。
4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
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，即N2和H2的物质的量比为1：2.8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。即N2和H2的物质的量比为1：2.8
（阅读书本67页）
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强
温度
催化剂
浓度
研讨的结果
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强
适宜温度
700K左右
使用铁触媒作催化剂
N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去
【总结】
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】
二、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(先逸出) 物理方法
蒸发
CO2(+N2) N2 化学方法
分离出CO2
制氮气:
（造气）
（净化）
（合成氨）
制氢气:
天然气 CO+H2 CO2+H2 H2
H2O(气)
分离出CO2
CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
H2O(气)
我国合成氨工业的发展情况：
解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；
1949年全国氮肥产量仅0.6万吨；
2000年达到3363.7万吨，成为世界上产量最高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家.
例题 ：
能使合成氨反应进行程度增大的方法是
A、升高温度 B 、降低压强
C、使用催化剂 D 、及时分离出氨气
D
1．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能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2×107～5×107Pa的压强
练一练：
BC
2、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(g)+H2O（g） CO2(g)+H2(g)（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、降低温度
C、增大水蒸气浓度 D、增大CO浓度
BC
3、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（ ）
(A)延长反应时间 (B)充入过量H2
(C)充入过量N2 (D)升高温度
C
4、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 ---- 50MPa ，是因该条件下催化剂的活性最好
B
5.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2 (g) X2Y4 (g) （正反应为放热反应）( )
A.高温 高压 B.低温 低压
C.高温 低压 D.高压 低温
D
6.对于反应: 2SO2(g)+O2 (g) 2SO3 (g)
下列判断正确的是( )
A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3
B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动
C.平衡时, SO2消耗速率必定等于O2的生成速率
的两倍
D.平衡时, SO2浓度必定等于O2浓度的两倍.
BC
7.已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0其实验数据见表
(1) 应选用的温度是______。
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。
化学反应条件的优化
----工业合成氨
复习
影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些
化学反应速率 化学平衡
温度
气体压强
催化剂
浓度
温度越高,反应速率越大
压强越大,反应速率越大
正催化剂加快反应速率
反应物浓度越大,反应速率越大
升高温度,平衡向吸热方向移动
增大压强,平衡向气态物质系数减小的方向移动
催化剂对平衡无影响
增大反应物浓度,平衡正向移动
弗里茨·哈伯：
弗里茨·哈伯与合成氨
合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂--铁，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。
化学热力学
化学动力学
化学反应的方向
化学反应的限度
化学反应的速率
合成氨反应能否自发进行？
怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动？
怎样能提高合成氨反应速率？
适宜的合成氨条件
工艺流程
化学工艺学
高压对设备材质、
加工制造的要求、温度
的催化剂活性的影响等
【交流·研讨】
合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
已知298K时: △H= -92.2KJ·mol-1
△S = -198.2J·K-1·mol-1
请根据正反应的焓变和熵变分析298K下
合成氨反应能否自发进行？
298K下合成氨反应的平衡常数K为４.１×１０６（mol·L-1)-2
书P65
合成氨反应的特点：
①可逆反应
③正反应气态物质系数减小
④正反应是放热反应
②熵减小的反应
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol
(1体积) (3体积) (2体积)
△S = -198.2J·K-1·mol-1
一、合成氨反应的限度
【交流·研讨】
请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成．
书P65
1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
NH3%
N2:H2
___温度、___压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为_____时平衡混合物中氨的含量最高。
增大
降低
1：3
二、合成氨反应的速率
【交流·研讨】
1、你认为可以通过控制那些反应条件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的物质的浓度的关系为:
ν =κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)
书P66
3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：
催化剂对合成氨反应速率的影响
条件 △ E /KJ/mol k(催)/k(无)
无催化剂 335 3.4×1012(700k)
使用Fe催化剂 167
1.升高温度
2.增大压强
3.增大反应物浓度
4.使用催化剂
5.增大N2`H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去
使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。
合成氨的适宜条件的选择
生成物氨的浓度
反应物的浓度
催化剂
温度
压强
速率分析
使NH3生产得快
外界条件
高压
高温
使用
增大浓度
减小浓度
平衡分析
使NH3生产得多
高压
低温
无影响
增大浓度
减小浓度
【交流·研讨】
研讨的内容 研讨的问题
1、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是否越大越好？
压强怎么定？
2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？
3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？
温度怎么选择？
要不要用催化剂？
1、压强怎么选？
分析：
①合成氨反应是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。
②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。
综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在100～1000大气压之间。
2、温度怎么选择？
分析：
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。
②可是温度越低，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。
③催化剂要在一定温度下催化活性最大。
综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。
3、用不用催化剂？
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。
分析:
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。
4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
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，即N2和H2的物质的量比为1：2.8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。即N2和H2的物质的量比为1：2.8
（阅读书本67页）
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强
温度
催化剂
浓度
研讨的结果
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强
适宜温度
700K左右
使用铁触媒作催化剂
N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去
【总结】
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】
二、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(先逸出) 物理方法
蒸发
CO2(+N2) N2 化学方法
分离出CO2
制氮气:
（造气）
（净化）
（合成氨）
制氢气:
天然气 CO+H2 CO2+H2 H2
H2O(气)
分离出CO2
CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
H2O(气)
我国合成氨工业的发展情况：
解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；
1949年全国氮肥产量仅0.6万吨；
2000年达到3363.7万吨，成为世界上产量最高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家.
例题 ：
能使合成氨反应进行程度增大的方法是
A、升高温度 B 、降低压强
C、使用催化剂 D 、及时分离出氨气
D
1．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能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2×107～5×107Pa的压强
练一练：
BC
2、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(g)+H2O（g） CO2(g)+H2(g)（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、降低温度
C、增大水蒸气浓度 D、增大CO浓度
BC
3、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（ ）
(A)延长反应时间 (B)充入过量H2
(C)充入过量N2 (D)升高温度
C
4、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 ---- 50MPa ，是因该条件下催化剂的活性最好
B
5.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2 (g) X2Y4 (g) （正反应为放热反应）( )
A.高温 高压 B.低温 低压
C.高温 低压 D.高压 低温
D
6.对于反应: 2SO2(g)+O2 (g) 2SO3 (g)
下列判断正确的是( )
A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3
B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动
C.平衡时, SO2消耗速率必定等于O2的生成速率
的两倍
D.平衡时, SO2浓度必定等于O2浓度的两倍.
BC
7.已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0其实验数据见表
(1) 应选用的温度是______。
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。