高中化学 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—工业合成氨课件 鲁科版选修4.ppt

普通高中课程标准实验教科书化学反应原理 选修四 第二章化学反应的方向 限度与速率 第四节化学反应条件的优化 工业合成氨 自从1809年在南美州的智利发现了硝酸钠矿床之后 智利硝石很快就成为当时世界上无机矿物含氮肥料的主要来源 据估计 在1850 1900年间 全世界无机氮肥有70 来自智利硝石 但矿产资源是有限的 这就迫使人们去思考 如何使大气中游离态氮 用人工的方法转变成可为植物吸收的化合态氮 即人工固氮 一直是化学家探索的有关国计民生的重大课题 特别是如何利用空气中氮和水中的氢直接合成氨一直十九世纪化学家研究的焦点之一 但由于长期未获成功 以至有人得出 由氮和氢直接合成氨是不可能的 的错误结论 直到1909年 德国化学哈伯取得了突破性进展 成功地建立了每小时能产生80克氨的装置 从而使人们看到了解决这一问题的曙光 开创了合成氨的历史 哈伯也因此获得了1918年的诺贝尔化学奖 工业合成氨的巨大成功 改变了世界粮食生产的历史 解决了世界因人口增长而需要的粮食 以合成氨为基础原料的化肥工业 对粮食增产的贡献率占50 左右 交流 研讨1 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 mol 1 k 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 mol l 1 2 书p65 合成氨反应的特点 可逆反应 正反应气态物质系数减小 正反应是放热反应 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 合成氨工业生产时主要考虑的生产条件 1 要使氨生成得更多 即提高平衡混合物里氨的含量 化学平衡问题 2 要使氨生成得更快 即提高单位时间里氨的产量 化学反应速率问题 交流 研讨2 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 一 合成氨反应的限度 1 11 21 31 41 51 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 研讨结果 交流 研讨3 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 合成氨反应速率与反应的物质的浓度的关系为 c 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 二 合成氨反应的速率 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 催化剂对合成氨反应速率的影响 1 升高温度2 增大压强3 使用催化剂 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍 4 增大n2和h2浓度 将氨及时从混合气中分离出去 研讨结果 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 那么生产中温度是否越低越好 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 交流 研讨4 1 压强怎么选 分析 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 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200 500大气压之间 2 温度怎么选择 分析 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 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 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 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200 500大气压之间 综合因素 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 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 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强200 500个大气压 适宜温度700k右左 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 研讨总结 合成氨流程简图 合成塔 氨分离器 液氨 水冷器 循环气体 压缩机 循环压缩机 氢氮混合气 我国合成氨工业的