高中化学鲁科版（2019）选择性必修一同步课件 2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨 课件(共20张PPT)

(共20张PPT)
第4节　化学反应条件的优化
　　 　——工业合成氨
第2章
1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，了解工业合成氨的生产过程(重点)。
2.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用(难点)。
学习目标
你知道哪些反应可以实现氮的固定？试分析合成氨反应的特点，据此思考如何选择合适条件，加快合成氨的反应速率、提高氨的产率？
新课导入
理论分析合成氨反应的条件
一
1.合成氨反应的特点
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
(1)可逆性：反应为可逆反应。
(2)体积变化：正反应是气体物质的量减小的反应。
(3)焓变：ΔH<0，ΔS<0
(4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能正向自发进行。
2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较
条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果
压强 高压 高压 高压
温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性
催化剂 使用 无影响 使用
浓度 增大反应物氮气或氢气的浓度 增大某一反应物的浓度，降低反应产物的浓度 增大反应物的浓度，且不断减小反应产物的浓度
从化学平衡的角度分析，在一定的温度、压强下，反应物N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
思考交流
1.正误判断
(1)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行
(2)在合成氨的实际生产中，温度越低、压强越大越好
(3)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率
(4)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应
(5)增大反应物的浓度，减少反应产物的浓度，可以提高氨的产率
(6)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的
×
×
×
×
√
×
思考交流
2.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浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，请你根据该关系式分析，各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？
提示　由合成氨反应的化学反应速率公式可知，在一定温度、压强下，化学反应速率与反应物浓度[c(N2)或c1.5(H2)]成正比关系，与反应产物浓度[c(NH3)]成反比关系。由此在一定温度、压强下，可采取增大反应物浓度、减小反应产物浓度的措施来提高化学反应速率。另外还可采取升高温度、使用合适的催化剂等措施来加快反应速率。
工业合成氨的适宜条件
二
工业合成氨反应条件的选择主要基于哪些因素考虑？
结合课本内容，实际生产中选择哪些适宜的条件呢
注意选择这些条件的理由
化学反应速率；
化学反应限度；
生产实际
催化剂铁触媒、10～30 MPa、400～500 ℃
思考讨论
1. 合成氨反应条件的选择原则
从反应速率和反应限度两个角度
尽量增大反应物的转化率，充分利用原料；
(1)
选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量；
(2)
考虑设备的要求和技术条件。
(3)
2.合成氨反应的适宜条件
(1)压强
目前我国的合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。
合成氨时不采用更高压强的理由：___________________________。
答案　压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益
(2)温度
实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。
不采用低温的理由：________________________________________
答案　温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所用时间变长，这在工业生产中是很不经济的，且铁触媒在500 ℃左右时的活性最大
(3)催化剂
①目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
②我们知道催化剂对平衡转化率无影响，在合成氨工业中还要使用催化剂的原因是_____________________________________________。
答案　即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。加入催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应，提高单位时间的生产效率，可提高经济效益
③催化剂中毒：因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程。
(4)浓度
及时将氨气从反应混合物中分离出去，将未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。
(5)其他：兼顾环境保护和社会效益。
3.工业合成氨生产流程简介
工业合成氨的生产过程主要
包括造气、净化、合成氨三大部分。
(1)原料气中氢气常来自哪里？
提示　氢气来自天然气、煤和炼油产品。
(2)原料气净化的目的是什么？
提示　消除造气过程中夹带的杂质，防止催化剂中毒。
(3)已知氮气在催化剂上吸附分解为总反应中最慢的步骤。合成氨工业生产一般采用n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8的目的是什么？
提示　适当提高N2比例，加快合成氨的速率。
自我测试
1
2
3
1.下列有关合成氨工业的说法正确的是
A.N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的
　合成
B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C.工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
√
自我测试
1
2
3
2.在一定条件下，可逆反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)(正反应是放热反应)达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是
A.加催化剂，v正、v逆都发生变化而且变化的倍数相等
B.加压，v正、v逆都增大，且v正增大的倍数大于v逆增大的倍数
C.降温，v正、v逆都减小，且v正减小的倍数小于v逆减小的倍数
D.等容条件下加入氩气，v正、v逆都增大，且v正增大的倍数大于v逆增大
　的倍数
√
自我测试
1
2
3
3.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)
2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500 ℃时催化剂效果最好)下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是_______________。
450 ℃、10 MPa
自我测试
1
2
3
(2)在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，原因是________________
____________________________________________________________________________________________。
(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是______________________
___________________________________________________________________________________________________________。
(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是________________________
_____________________。
(5)尾气中SO2必须回收，原因是___________________________________
_________________。
在此温度下，催
化剂活性最高。温度较低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长；温度较高，SO2的转化率会降低
在常压下SO2的转化率就
已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大对设备的要求而增大生产成本
增大反应物O2的浓度，有
利于提高SO2的转化率
防止污染环境；循环利用，提高原料的
利用率(合理即可)