鲁科版高中化学选择性必修1第2章化学反应的方向、限度与速率2.4化学反应条件的优化—工业合成氨教学课件

(共31张PPT)
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
集天使与魔鬼与一身的科学家
在化学发展史上，有一位化学家，虽然他早已长眠地下，但是他却给世人留下关于他功过是非的激烈争论。他就是20世纪初闻名世界的德国物理化学家、合成氨的发明者弗里茨·哈伯。赞扬哈伯的人说：他是天使，为人类带来丰收和喜悦，是用空气制造面包的圣人。诅咒他的人则说：他是魔鬼，给人类带来灾难、痛苦和死亡。
针锋相对、截然不同的评价，同指一人而言，令人愕然。
弗里茨·哈伯
弗里茨·哈伯（Fritz Haber，1868年12月9日～1934年1月29日），德国化学家，出生在德国西里西亚布雷斯劳（现为波兰的弗罗茨瓦夫）的一个犹太人家庭。 1909年，成为第一个从空气中制造出氨的科学家，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展，因此获得1918年瑞典科学院诺贝尔化学奖。一战中，哈伯担任化学兵工厂厂长时负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用于战争之中，造成近百万人伤亡，遭到了美、英、法、中等国科学家们的谴责。
弗里茨·哈伯合成氨实验装置
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年才实现了合成氨的工业化生产。经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨1000吨的大型装置。
化学反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) 看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的发展过程 合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件
假如你是一个合成氨工厂的老板，对工业生产你会考虑哪些问题？
　
加快化学反应速率
单位时间内产率高
增大化学反应限度
原料的利用率要高
另外还要考虑生产中的能源消耗、原料来源、设备条件、环境保护等因素。
反应的可能性要强
化学反应的方向性
合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。要实现合成氨的工业化生产，须从哪些方面选择合成氨的反应条件。
反应限度
反应速率
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
温度、浓度、压强等
温度、浓度、压强、催化剂等
反应方向性
ΔH、ΔS
一、合成氨反应的方向性
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
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？
H-T△S=-92.2KJ·mol-1-298K×（-198.2KJ·K·mol-1×10-3 ）= -33.1KJ·mol-1＜0
合成氨是一个低温自发的反应
常温(298 K)下,能自发进行。
合成氨反应的特点
焓变：ΔH 0，熵变ΔS 0。
自发性：常温(298 K)下， ，能自发进行。
<
<
ΔH－TΔS<0
反应的可能性要强
二、合成氨反应的限度
目标：合成氨的平衡转化率越大越好
如何从温度、浓度、压强角度提高合成氨的平衡转化率？
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
因素 反应特点 相应措施
温度
浓度
压强
放热
正向反应分子数减小
低温
高压
增加反应物浓度，
分离出NH3
提高合成氨反应限度的方法
进一步研究发现，在一定的温度、压强下氮气、氢气的体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高。
反应条件：低温、高压、增加反应物浓度、分离出NH3
V(N2):V(H2)=1:3
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
资料1.合成氨反应速率与参与反应的物质浓度的关系式为：
υ=kc(N2) · c1.5(H2) · c-1(NH3)
三、合成氨反应的速率
目标：工业生产希望反应速率越大越好
结论：1、氨的合成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。
2.应在反应达到一定转化率时，将氨从混合气中分离出去。
根据表2-4-1所给数据分析催化剂对氨的合成反应速率的影响。
催化剂对氨的合成反应速率的影响
结论：使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。因此，要实现合成氨的工业化生产，使用适宜的催化剂是最有效的途径。
三、合成氨反应的速率
目标：工业生产希望反应速率越大越好
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g)
υ=kc(N2) · c1.5(H2) · c-1(NH3)
使用铁触媒作催化剂
合成氨的催化历程
工业上，氮气与氢气合成氨的反应是在催化剂表面上进行的。这是一个复杂的过程，一般要经历反应物扩散至催化剂表面、吸附在催化剂表面、发生表面反应、产物从催化剂表面脱附、产物扩散离开反应区等五个步骤。
课本78页
★★★根据对氨的合成反应的速率及催化反应历程的研究，得出以下结论∶
1.第一步（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。为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，应适当提高氮的分压p(N2)，即不是达到最大平衡转化率要求的n(N2):n(H2)=1:3，而是n(N2):n(H2)=1:2.8。
2.为提高氨的脱附速率，以空出活性中心供继续合成氨使用，必须降低混合气中氨的比例，适时地将氨从反应后的混合气体中分离出来。
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
因素 反应特点 相应措施
温度
浓度
压强
催化剂 活化能高
高温
高压
增加反应物浓度，分离出NH3
υ=kc(N2) · c1.5(H2) · c-1(NH3)
三、合成氨反应的速率
目标：工业生产希望反应速率越大越好
如何从温度、浓度、压强、催化剂角度提高合成氨的速率？
使用合适的催化剂
提高反应的转化率 提高反应的速率
反应特点 措施 反应特点 措施
放热 活化能高
正反应分子数减少 低温时反应速率低
反应可逆 原料气浓度增大能提高反应速率
氨气浓度增大能降低反应速率
1.根据氨的合成反应的特点，应分别采取什么措施提高该反应的平衡转化率和反应速率 将有关建议填入表格中。
分离出氨气
低温
使用合适催化剂
高压
高温
原料循环利用
增大原料气浓度
四、合成氨的适宜条件的选择
2.尝试为合成氨生产选择适宜条件。
反应物的浓度
催化剂
温度
压强
使NH3生产得快
外界条件
高压
高温
使用
增大浓度
减小浓度
使NH3生产得多
高压
低温
无影响
增大浓度
减小浓度
？
在确定合成氨生产的适宜条件的过程中，遇到了哪些问题 是怎样解决的
问题1：压强怎么选？
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？
问题2：温度怎么选？
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？
问题4：要不要用催化剂？
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？
问题3：浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
在氮气和氢气的物质的量之比为1：3时平衡转化率最高。提高氢气的压强似乎更有利于提高合成氨反应的速率，但是，氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，即这是影响反应速率的关键步骤。
1、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）。
2、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但实际是压强越大，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。
综上因素: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1×107～1×108 Pa大气压之间。
3、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：增大N2、H2的浓度，并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
原因：合成氨的催化历程(课本78页)
问题4：要不要用催化剂？
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。
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。
5.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
原料的价格
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
实际生产中合成氨的适宜条件
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压(1×107 Pa)、中压(2×107～3×107 Pa)和高压(8.5×107～1×108 Pa)三种类型
温度 适宜温度(700 K左右)
催化剂 使用铁触媒作催化剂
浓度 N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去，并对氮气和氢气循环利用
化工生产适宜条件选择的一般原则是什么？
化工生产适宜条件选择的一般原则
条件 原则
从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢
从化学反应限度分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的活性分析 注意温度对催化剂的活性的限制
合成氨工业生产需要高温、高压的反应条件，在中压工艺条件下，合成氨厂出口气中的氨含量一般为13% ～14%。而且催化剂易中毒、使用寿命不长。据估计，在自然界里，由于生物固氮酶催化剂（如根瘤菌）的作用，在常温、常压下每年可以从空气中固定1亿吨氮，因此仿生固氮酶催化剂的研制这一前沿课题一直为人们所关注，但至今进展甚微。
合成氨的整个工业生产包括造气、净化、合成氨三大部分。 造气　原料气中的氮气来自空气，而氢气来自天然气、煤和炼油产品。以天然气为原料时，反应可简单表示为:
CH4 + H2O CO + 3H2 CO + H2O CO2 + H2
净化　 消除造气过程中夹带的杂质，防止催化剂中毒。 合成氨 该部分包括终端产品氨的分离，氮气、氢气的循环使用，利用反应产生的热预热合成气等。
高温
催化剂
高温
催化剂
课本80页
1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)合成氨反应在高温下能自发进行。 (　　)
(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。(　　)
(3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。( 　　)
(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。(　　)
√
×
×
×
2．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g) 2M(g) ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　)
A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成
B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率
C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高
D．工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
D
3、下列事实能用勒·夏特列原理解释的是( )
A.使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B.由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深
C.700 K时比室温更有利于合成氨的反应
D.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应
D
4、合成氨反应在工业生产中的大量运用，满足了人口的急剧增长对粮食的需求，也为有机合成提供了足够的原料——氨。合成氨反应是一个可逆反应：
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。在298 K时，ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，K＝4.1×106。
(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大，为什么还需要使用催化剂？
__________________________________________________。
(2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因：
___________________________________________________。
使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反应速率，提高单位时间内的产量
在该温度下，催化剂的活性最高，速率较大，反应的限度虽然有所降低，但综合分析，单位时间内的产量还是最理想的
(1)应选择的温度是________，理由是 。
5、已知2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0的实验数据如下表：
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
450 ℃
该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450 ℃反应物
转化率较高

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
(2)应采用的压强是________，理由是：
(3)在合成SO3的过程中，不需要分离出SO3的原因是：
(4)生产中通入过量空气的目的是_____________________________。
1×105Pa
常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要动力更大，对设备的要求更高
SO2的转化率比较高，达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少
增大O2浓度、提高SO2的转化率