第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
【课前预习案】
【学习目标】
1. 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，巩固化学反应速率和化学平衡的相关知识。21世纪教育网版权所有
2.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体会实际生产的选择与理论分析的差异。
3. 树立理论与实际相结合和追求最大效益的生产理念。
【学习重点,难点】运用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件的方法。
运用化学反应速率和化学平衡原理探究工业生产适宜条件的方法。
【自主学习】
1.改变哪些外界条件可以提高化学反应速率？
2.N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) △H <0 ，改变下列条件对化学平衡有何影响？21·cn·jy·com
（1）升高温度，平衡向 移动 （2）减小压强，平衡 移动
（3）增大反应物的浓度，平衡 （4）使用催化剂，平衡 移动
（3）判断化学反应在一定温度下能否自发进行的判据是什么？
【课堂探究案】
一、合成氨反应的限度：
【问题1】阅读课本“交流·研讨”（P65页）提供的数据，判断298K下合成氨反应能否自发进行？
【问题2】合成氨反应的特点是什么？
（1）反应 （是、否）可逆反应
（2）正反应是 （吸、放）热的，△H 0，△S 0。
（3）正反应是气体分子数 （增大、减小）的反应。
【问题3】利用化学平衡移动的知识分析，采取哪些措施有利于提高合成氨反应的限度？
【练习1】在一处于平衡状态的反应：N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) △H<0 ,为了使平衡向生成NH3的方向移动，应选择下列的适宜条件是（ ）www.21-cn-jy.com
①高温 ②低温 ③高压 ④低压 ⑤加催化剂 ⑥移去NH3
A.①③⑤ B.②③⑤ C. ②③⑤⑥ D.②③⑥
二、合成氨反应的速率：
【问题1】阅读课本“交流·研讨”（P66页）你认为可以通过控制哪些反应条件（温度、压强）来提高合成氨反应的速率？2·1·c·n·j·y
【问题2】从浓度的角度考虑可以采取哪些措施来提高反应速率？
【问题3】催化剂对合成氨反应的速率有何影响？
【练习2】对于合成氨的反应：N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) △H <0 ,为了增大生成NH3的速率，应选择下列的适宜条件是（ ）【来源：21·世纪·教育·网】
①高温 ②低温 ③高压 ④低压 ⑤加催化剂 ⑥移去NH3
A.①③⑤ B.②③⑤ C. ②③⑤⑥ D.②③⑥
三、合成氨的适宜条件：
在工业上合成氨时，反应的限度越大，速率越快，工厂的效益就越高。所以:
1．合成氨反应条件的选择原则
(1)尽量增大反应物的 ，充分利用原料。(2)选择较快的 ，提高单位时间内的产量。(3)考虑设备和技术条件。21·世纪*教育网
2．合成氨反应条件的选择
【问题1】压强怎么选？
压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为 、 和 三种类型。www-2-1-cnjy-com
【问题2】催化剂用不用？
使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择 做催化剂。
【问题3】温度怎么选？
温度越高，反应速率 ，但不利于 ，在实际生产中一般控制反应温度在 K左右（且在此温度时催化剂的活性 ）。2-1-c-n-j-y
【问题4】浓度问题？
合成氨生产通常采用N2和H2的物质的量之比为 的投料比，及时将氨气从反应混合物中分离出去。此外，还考虑原料的 、未转化的原料气的 使用、反应热的综合利用等问题。
【思考】合成氨工业生产中，为什么采用未转化的原料气（合成气）的循环使用？
【学以致用】
1.已知 2SO2(g)+O2(g 2SO3 (g) △H ＜0
请应用已有知识分析工业合成SO3 的适宜条件。
2．根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是( )
A．研制耐高压的合成塔
B．采用超大规模的工业生产
C．研制耐低温复合催化剂
D．探索不用H2和N2合成氨的新途径
3.不能用化学平衡移动原理说明的事实是( )
A．合成氨在高压下进行是有利的
B．温度过高对合成氨不利
C．使用催化剂能使合成氨速率加快
D．及时分离从合成塔中出来的混合气，有利于合成氨
【教、学后反思】
【课堂检测】
1.关于合成氨的反应，下列说法正确的是 （ ） 21cnjy.com
A．温度越高，反应速率越快，所以合成氨反应的温度越高越好
B．压强越大合成氨反应速率越大，工业上不采用过高的压强主要是考虑反应的限度问题
C．使用催化剂可以提高单位时间内氨气的产量
D．浓度越大，反应速率越快，所以不必把氨从混合物中分离出来
2.合成氨其中有一步反应为CO（g）+H2O（g） CO2（g）+H2（g），ΔH＜0，欲提高CO转化率可采用的方法有：①降低温度；②增加压强；③使用催化剂；④增大CO的浓度；⑤增大水蒸气的浓度，其中正确的组合是? （ ）21教育网
A．①②③④⑤ B．①⑤? C．①④⑤ D．只有⑤?
3.某工业生产中发生反应：2A（g）+B（g）2M（g） Δ H＜０。下列有关该说法正确的是 （ ）
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，因为温度越高，反应物的转化率越高
D．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可以提高M的日产量
4.已知 2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0
请据下表数据分析。
（1）应选用的温度是
（2）应采用的压强是 ，理由是
。
第二章第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨
教学设计
2016.10.14
课题
化学反应条件的优化——工业合成氨
授课人
黄瑞理
教学目标
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知识与技能
1.使学生理解如何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。
2.使学生了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。
过程与方法
1.教学时应以化学反应速率和化学平衡原理为主线，以合成氨知识为中心，结合工业生产的实际情况，将知识串联、拓展、延伸，培养学生的归纳思维能力。
2.在运用理论的过程中，可以进一步加深学生对所学理论的理解和提高知识的实际应用能力。
情感态度与价值观
1.通过了解合成氨的全过程，可以激发学生爱科学、探索科学的热情。
2.通过合成氨前景的展望，激发学生学习兴趣，使学生体会化学学科中逻辑结构严谨深刻的科学美。
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
教学方法
讲授法、小组讨论法、自学法
教学用具
多媒体设备
教学过 程
教师活动预设
学生活动预期
设计意图
新
课
引
入
【引入】视频引入——山东电视台2016年9越28日新闻联播，报到莒县闫庄超级水稻生产连续三年刷新世界纪录，一是杂交水稻品种好，二是化肥的重要作用，引出氮肥，引出氨气和工业合成氨。
【板书】化学反应条件的优化——工业合成氨
【回顾一段历史】指出合成氨反应发展的漫长而又艰难的历程。
【过渡】假如你是哈伯，让我们一起探究工业合成氨的最适宜条件。选择适宜条件的目的应该是加快速率,提高产率,那么选择适宜条件的依据又是什么？
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讨论后回答：选择适宜生产条件的依据为外界条件对化学平衡和化学反应速率影响。
引入新课，激发兴趣。
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通过事例分析指出本节重点及学习方法，明确学生的学习方向
判断合成氨反应能否自发进行
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【过渡】阅读教材P65页，分析反应的可行性。
【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。
学生讨论分析反应特点：
合成氨反应为放热、气态物质系数减少的可逆反应。
△H-T△S
=-92.2kJ·mol-1-298K×（-198.2J·K-1·mol-1）＜0
298K时，合成氨反应是可以自发进行的。
为讨论合成氨适宜生产条件做准备。使学生体会一般的研究思路：第一步是先判断反应的方向，再利用平衡移动
合成氨反应的限度
【活动探究】请同学们根据合成氨反应的特点，利用影响化学平衡移动的因素，分析什么条件有利于氨的合成？
【板书】一、合成氨反应的限度
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【讲述】如图2-4-3所示，在不同反应温度、压强下反应达平衡时，平衡混合物中氨含量的测定结果与上述理论分析结果一致。
进一步研究发现，在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为1：3时平衡混合物中氨的含量最高。
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学生讨论回答：
降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动；N2、H2的体积比为1：3时平衡混合物中氨的含量最高。
学生观看图2-4-3进行分析。
原理分析如何提高氨的产量。
合成氨反应的速率
【过渡】在寻找最佳的生产条件时，除了考虑反应的限度时，还需要研究采取哪些措施来提高化学反应速率。
【板书】二、合成氨反应的速率
【交流·研讨】
1、结合影响反应速率的因素，思考什么条件能提高合成氨反应的速率？
2、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)
请你根据关系式分析：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？
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：
【补充】除此之外，温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。
学生分析回答：
1、升高温度
增大压强
增大反应物浓度
使用催化剂
2、增大N2、H2浓度，将氨及时从混合气中分离出去
3、分析下表所给的数据使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。
表2-4-1
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让学生从整体上对影响化学反应速率的各种影响进行定性分析。
结合生产实际选择合成氨的适宜条件
【板书】三、合成氨的适宜条件
【交流·研讨】根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？请将你的建议填入下表。
在合成氨生产中，达到高转化率与高反应速率所需要的条件有时是相互矛盾的。由理论分析再结合生产实际（高压对设备材质、加工制造的要求和所需能耗多少、温度对催化剂活性的影响等）讨论：⑴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？
⑵要不要催化剂呢？
⑶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？
⑷从气体在催化剂表面的吸附问题讨论浓度比。
【讲述】因此，选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。
【总结】合成氨的适宜条件：
选择铁做催化剂；反应温度在700K左右；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（1×107Pa）、中压（2×107～３×107Pa）和高压（8.5×107～1×108Pa）三种类型；n(N2)：n(H2)=1：2.8。
学生讨论后完成下表
外界条件
使NH3产率高
使NH3生产的快
平衡分析
速率分析
压强
温度
催化剂
反应物浓度
生成物浓度
复习、整理关于化学反应的方向、限度和速率的理论知识并查阅资料回答：
虽然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，但是我们应该考虑到反应器材质及综合指标来选择压强，并非是越大越好。
选择合适的催化剂
低温虽然有利于平衡向生成氨的方向移动，但低温时反应速率低，所以生产中温度不是越低越好。考虑到催化剂活性，应选择适宜的温度。
学生阅读教材后得出
n(N2)：n(H2)=1：2.8
通过交流研讨使学生体会这是用理论解决实际生产的一个重要步骤，需要综合评价限度与速率的影响，还必须考虑实际工艺技术等各方面因素。
归纳出合成氨生产的适宜条件，引导思考的方向，结合生产数据介绍合成氨实际生产条件，使学生在解决实际生产的过程中进一步加深对所学理论的理解。
合成氨的生产流程
【板书】合成氨的生产流程
（1）原料气的制备 N2来自空气，H2 来自水中CH4+H2O=CO+3H2
CO+H2O=CO2+H2
(2)净化 消除造气过程中夹带着的杂质，防止催化剂中毒。
（3）合成氨
【简介】国合成氨工业的发展情况。
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学生认真听讲，观看课本合成氨工艺生产流程图。
加深学生对化工生产的了解。
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让学生了解我国合成氨工业发展历程，目前我国合成氨工业从生产能力和产量上都位居世界前列，对他们进行情感态度与价值观教育。
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【知识前沿】化学模拟生物固氮
根瘤菌，生物固氨。常温常压下进行。成本低、转化率高、效率高。
模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产，借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。
学生听讲，思考。
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让学生了解科学前沿和科技发展动态。
课堂小结
结合理论依据和生产实际，适宜的合成氨条件为：
铁催化剂，700K，根据反应器选择压强，n(N2)：n(H2)=1：2.8
学以致用
【大屏幕】
1.已知 2SO2(g)+O2(g 2SO3 (g) △H ＜0
请应用已有知识分析工业合成SO3 的适宜条件。
【变式】已知 2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0
请据右表数据分析。
2．根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是( )
A．研制耐高压的合成塔
B．采用超大规模的工业生产
C．研制耐低温复合催化剂
D．探索不用H2和N2合成氨的新途径
3.不能用化学平衡移动原理说明的事实是( )
A．合成氨在高压下进行是有利的
B．温度过高对合成氨不利
C．使用催化剂能使合成氨速率加快
D．及时分离从合成塔中出来的混合气，有利于合成氨
学生思考、回答
学生分析解答，进一步加深了本节课的理论和认识。
板书设计：
第4节化学反应条件的优化——工业合成氨
一、合成氨反应的限度
有利于化学平衡向生成氨的方向移动的影响因素：降低温度、增大压强、n(N2)：n(H2)=1：3
二、合成氨反应的速率
有利于加快生成氨速率的影响因素：升高温度、增大压强、使用催化剂、增大反应物浓度、减小生成物浓度。
三、合成氨的适宜条件
结合生产实际，适宜的合成氨条件为：
铁催化剂，700K，根据反应器选择压强，n(N2)：n(H2)=1：2.8
课件21张PPT。2018-10-28 鲁科版高中化学选修4《化学反应原理》第二章第四节
化学反应条件的优化
—工业合成氨
回顾一段历史 ……
氨(NH3) 合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约140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。[交流·研讨]（P65页）
请根据正反应的焓变和熵变分析在298K下合成氨反应能否自发进行？
已知：298K时，?H=－92.2kJ·mol-1
?S=－198.2J·K-1·mol-1试计算： 判据?H-T ?S的值 假如你是哈伯，试分析N2+3H2 2NH3 能否自发进行？△H -T△S
= － 92.2kJ·mol-1－298K×(－ 0.1982kJ·K-1·mol-1)
=－33.1364kJ·mol-1< 0 N2+3H2 2NH3分析：合成氨的反应特点可逆放热减小 假如你是哈伯，请运用化学反应限度和化学反应速率的知识寻找工业合成氨的适宜条件。一、合成氨反应的限度___ 温度, ___ 压强；_____氨气的浓度有利于化学平衡正向移动，从而提高氨的产率。降低增大减小（交流.研讨P66页）二、合成氨反应的速率升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂交流·研讨 (P66页)实验表明，合成氨的速率公式为：
v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)提示：本反应中减小生成物的浓度也能提高反应速率。高压高压低温高温使用无影响增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度小结矛盾平衡分析速率分析三、合成氨的适宜条件 假如你是哈伯，你会为工业合成氨选择那些最适宜的条件？ 压强怎么选？ 综合以上两点，实际生产中压强一般选择在107～108Pa之间。问题１①理论上增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动。越大越好②压强越大，对设备的要求高；压缩气体需要的动力大，成本高。应符合实际科技水平 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）。问题2请你根据下表所给的数据分析：【结论】 温度怎么选择？有利于平衡正向移动;但反应速率小,达到平衡所需要的时间长。问题3△H< 0低温：高温：不利于平衡正向移动;但反应速率快,达到平衡所需要的时间短。 催化剂要在一定温度下催化活性最大。 综合分析，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）。分析：适当提高的N2、H2浓度比，减少氨气 的浓度，可以提高合成氨的效率和产量。实际生产中的处理方法：及时补充氮气和氢气，使其保持浓度比1:2.8。及时将气态氨冷却液化而分离出去；问题４ 原料N2在催化剂表面的吸附为总反应中最难的一步，即影响反应速率的关键步骤，另外即使在700K和3×107Pa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，转化率仍不够大，还可采取什么办法？ 注重经济效益：N2 ,H2的循环利用，反应热的综合利用（水的热交换）等。总结：三、哈伯法合成氨合成氨适宜条件催化剂温度根据设备动力选择压强N2、H2投料比及时分离铁触媒1×107~ 1×108Pa700K左右1:2.8氨气启示：1.理论必须与实践相结合。
2.工业生产要追求效益最大化。毁誉参半的哈伯（“天使”与“恶魔）“用空气制造面包的圣人” 、“合成氨之父”
——他在1913年实现了合成氨的工业生产，满足了20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求。
“现代化学战之父”
——他在1914年研制生产了硝酸铵和黄色炸药TNT，解决了德军的军火问题。
——他在1915年1月，首次将氯气用于战场，后来又研制出了剧毒气体光气用于战场。
已知 2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0
请分析工业合成SO3 的适宜条件。（1）应选用的温度是______。 （2）应采用的压强是__________， 理由是
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__________________________________________450℃1.01×105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，对设备的要求更高从经济上不划算。学以致用1．根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是( )
A．研制耐高压的合成塔
B．采用超大规模的工业生产
C．研制耐低温复合催化剂
D．探索不用H2和N2合成氨的新途径答案： C当堂巩固 2.不能用化学平衡移动原理说明的事实是( )
A．合成氨在高压下进行是有利的
B．温度过高对合成氨不利
C．使用催化剂能使合成氨速率加快
D．及时分离从合成塔中出来的混合气，有利于合成氨
答案： C当堂巩固课后作业：配套练习册1、6～11题感谢大家！
