2022-2023学年鲁科版高中化学选择性必修1 2.4化学反应条件的优化-工业合氨（共17张PPT）

(共17张PPT)
第4节 化学反应条件的优化
——工业合成氨
第二章 化学反应的方向、限度与速率
学习目标：
通过分析氮的固定反应的选择，形成应用反应进行的方向和限度的角度认识反应的可行性。
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
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。
1.你知道哪些反应可以实现氮的固定？
卡片1：
化学反应 N2+3H2 2NH3 N2+O2 2NO
焓变（298K) △H=-92.2 kJ·mol-1 △H=+90.25 kJ·mol-1
熵变（298K) △S=-198.2J·K-1·mol-1 △S=+124J·K-1·mol-1
卡片2：
化学反应 反应温度（℃） 平衡常数
N2+3H2 2NH3 25 5×108
N2+O2 2NO 25 3.8×10-31
交流研讨：
一.选择化学反应的依据
方向：△H-T△S<0
可自发
限度：10-5可调控
小结：
2.根据以上数据，你会选择哪个反应进行人工固氮？
一.选择化学反应的依据
二.合成氨条件的选择
交流研讨：
1.反应的条件如何选择？
2.你选择的依据是什么？
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
实验表明，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的关系为v =kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)
△H= -92.2 kJ·mol-1
分析影响合成氨速率和限度的条件。
生成物的浓度
反应物的浓度
催化剂
温度
压强
速率分析
外界条件
高压
高温
使用
增大浓度
减小浓度
平衡分析
高压
低温
无影响
增大浓度
减小浓度
反应物的浓度
催化剂
温度
压强
v =kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)
三.工业合成氨条件的优化
温度（K） 平衡常数
298 5×106
623 1.874
673 0.507
700 0.152
合成氨反应不同温度下的平衡常数
已知合成氨反应的温度为700K，你能得出什么结论？
寻找以较高的反应速率获取适当转化率的温度
条件 Ea /KJ·mol-1 k(催)/k(无)
无催化剂 335 3.4×1012(700k)
使用Fe催化剂 167
三.工业合成氨条件的优化
1.催化剂为什么能加快化学反应的速率？
实际合成氨生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），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。
2.基于催化剂活性的考量，为什么选择700K作为反应温度？
在700K时，催化剂的活性最高
降低反应的活化能
三.工业合成氨条件的优化
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%
n(N2):n(H2)
原料投料比对平衡混合气中氨的体积分数的影响
n(N2):n(H2)=1:3
思考：增大压强既能加快反应速率，又能增大反应限度，压强是否越大越好？浓度呢？
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。
及时分离出氨气
1.已知n(N2):n(H2)=1:3时平衡转化率最高，为什么调整n(N2):n(H2)=1:2.8？
氮的吸附分解所需活化能最高，是控制总反应速率的关键步骤，保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心并提高吸附速率。
阅读课本P78-化学与技术
交流研讨
三.工业合成氨条件的优化
2.为什么及时分离出氨气，可以增大化学反应的速率？
降低反应混合气体中氨的比例，以空出活性中心供继续合成氨使用。
小结：工业合成氨的条件
合成氨适宜条件
催化剂_____
温度__________________________
根据设备和动力选择压强________________
N2、H2 投料比______
________
铁
700K左右
1×107 ~ 1×108Pa
1:2.8
氨气
(催化剂的活性最大)
及时分离
为了提高合成氨生产的能力，你还有什么建议？
【知识卡片】
1. 氢气来自天然气、煤和石油产品，混有杂质气体使催化剂中毒。
2. 合成氨厂出口气中的氨含量一般为13%-14%。反应混合气中仍含有大量的氮气和氢气。
3.合成氨反应放出大量的热。
原料气的净化
未转化的合成气（氮气和氢气）的循环使用
反应热的综合利用
阅读课本P80-化学与技术
交流研讨
合成氨工业生产需要高温、高压的反应条件，而且催化剂易中毒，使用寿命不长。据估计，在自然界里，常温常压下，通过生物固氮酶的作用，每年可以从空气中固定一亿吨氮。未来合成氨的发展方向是什么呢？
抗毒能力强的新型催化剂
仿生固氮酶催化剂
科技前沿：
温度 不同压强下SO2的转化率(%)
1×105Pa 5×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa
450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
迁移应用
如果你是硫酸厂工程师，你会如何选择反应的条件？
2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0
化学反应的选择
合成氨条件的选择
合成氨条件的优化
反应能否自发进行及平衡常数大小
提高合成氨反应的速率和限度
考虑综合因素确定反应的温度、压强、催化剂等条件
适宜的合成氨条件
化学工艺学
原料气的净化，反应
物的循环利用、反应热
的综合利用等
【课堂总结】