4、化学反应条件的优化——工业合成氨

鲁科版 选修化学反应原理第2章第4节化学反应条件的优化 工业合成氨 高密一中程丽丽 外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响 温度越高 反应速率越大 压强越大 反应速率越大 正催化剂加快反应速率 反应物浓度越大 反应速率越大 升高温度 平衡向吸热方向移动 增大压强 平衡向气态物质系数减小的方向移动 催化剂对平衡无影响 增大反应物浓度 平衡正向移动 学习目标 1 知道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 重点 2 初步学会应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法 难点 3 形成用辩证唯物主义观点 对立统一的观点 看待物质 看待世界的习惯 农业用氮的历史 他以来自空气 煤和水的原料 最经济的人工固氮法 结束了人类完全依靠天然氮肥的历史 给世界农业发展带来了福音 为工业生产 军工需要的大量硝酸 炸药解决了原料问题 合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间 哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索 使合成氨的设想成为工业现实 哈伯因此荣获诺贝尔化学奖 弗里茨 哈伯与合成氨 用空气制造面包的圣人 化工生产综合考虑 多 快 好 省 反应原理 合成氨反应是一个可逆反应 N2 3H22NH3 已知298K时 H 92 2KJ mol 1 S 198 2J K 1 mol 1 H T S 92 2KJ mol 1 298K 198 2J K 1 mol 1 10 3KJ J 1 33 1KJ mol 1 0 一 合成氨反应的限度 请用数据说明在298K时 合成氨是自发进行的反应 从反应方向的角度分析 合成氨的反应能自发进行 复合判据 H T S 0时 反应自发进行 0时 反应不自发进行 0时 平衡状态 反应原理 合成氨反应是一个可逆反应 N2 3H22NH3 已知298K时 H 92 2KJ mol 1 S 198 2J K 1 mol 1 一 合成氨反应的限度 低温 高压有利于化学平衡正向移动 N2 H2浓度比为1 3有利于化学平衡正向移动 从反应限度的角度分析 合成氨的反应条件 一 合成氨反应的限度 升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂 二 合成氨反应的速率 从反应速率的角度分析 合成氨的反应条件 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 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 增大N2 H2浓度 将氨及时从混合气中分离出去 二 合成氨反应的速率 催化剂对合成氨反应速率的影响 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍 二 合成氨反应的速率 碰撞理论解释外界条件对化学反应速率的影响 单位时间内有效碰撞的次数越多 化学反应速率越快 单位体积内活化分子数越多 单位时间内有效碰撞的次数越多 浓度对反应速率的影响 压强对反应速率的影响 温度对反应速率的影响 催化剂对反应速率的影响 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 请填写下表 三 合成氨的适宜条件 2 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 1 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 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 催化剂 1 温度怎么选择 小贴士 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 2 压强怎么选 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 108Pa之间 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 4 浓度怎么定 N2和H2的比例怎么定 催化合成氨反应过程示意图 4 浓度怎么定 N2和H2的比例怎么定 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 N2和H2的物质的量比为1 2 8 合成氨的适宜条件 温度压强催化剂投料比及时分离出 700K左右 催化剂的活性温度 1 107 1 108Pa 1 2 8 铁触媒 氨气 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 混合气 合成氨工业生产流程 总结 合成氨的原料来自空气 煤和水 因此是最经济的人工固氮法 从而结束了人类完全依靠天然氮肥的历史 给世界农业发展带来了福音 为工业生产 军工需要的大量硝酸 炸药解决了原料问题 第一次世界大战时 德国的粮食和炸药供应 哈伯兼任化学兵工厂厂长 他带领研究人员研制出军用毒气氯气罐 化学武器在第一次世界大战中造成近130万人的伤亡 占大战伤亡总人数4 6 在历史上留下了极不光彩的一页 哈伯则成了制造化学武器的鼻祖 人类的罪人 弗里茨 哈伯天使与魔鬼的化身 在硫酸工业中 通过下列反应使SO2氧化成SO3 2SO2 g O2 g 2SO3 g H 0试回答 1 在生产中常用过量空气的原因是什么 2 实际生产的控制温度为400 500 为什么 3 工业生产上采用常压而非高压 为什么 使用过量空气则O2过量 可以提高二氧化硫的利用率 从而降低成本 温度低反应慢 温度太高SO3的产率就会很低 兼顾反应速率和产率所以选用这个温度范围 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 学以致用 作业1 书面作业 学案练习题2 动手实践 查阅资料掌握工业制硫酸的适宜条件 3 视野拓展 自选身边喜欢的