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9 鲁科版选修4.ppt

第二章第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨 合成氨工厂一角 n2 g 3h2 g 2nh3 g 弗里茨 哈伯 用空气制造面包的天使 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 德国化学家哈伯带领科研团队也从1902年开始研究氨的直接合成 但直到1913年才实现了氨的工业生产 弗里茨 哈伯与合成氨 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 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 最后选定了一种合适的催化剂 铁 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 我们一起来探究和合成氨的条件的选择 回顾 氨气的实验室制法 课本p79页 1 实验室制备 1 原理 2 装置 3 收集 4 干燥 2nh4cl ca oh 2 cacl2 2nh3 2h2o 固 固加热型 与制o2相同 向下排空气法 碱石灰 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 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 298k下合成氨反应的平衡常数k为 mol l 1 2 化学反应方向 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 化学平衡角度 数据一压强对氨气百分数的影响 数据二n2h2体积比对产率的影响 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 小结1 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 合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为 c n2 c1 5 h2 c 1 nh3 请同学们根据关系式分析 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 化学反应速率角度 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 增大反应物浓度4 使用催化剂 5 增大n2h2浓度 将氨及时从混合气中分离出去 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍 小结2 合成氨的适宜条件的选择 生成物氨的浓度 反应物的浓度 催化剂 温度 压强 速率分析 使nh3生产得快 外界条件 高压 高温 使用 增大浓度 减小浓度 平衡分析 使nh3生产得多 高压 低温 无影响 增大浓度 减小浓度 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 温度怎么选择 要不要用催化剂 交流 研讨4 工业流程角度 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 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强 适宜温度700k左右 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 小结3 小结4 工业上利用某可逆反应生产产品 一般要使用催化剂 这样可以大大加快化学反应速率 提高生产效率 也提高了经济效益 选择合适的温度 该温度是催化剂活性最大的温度 选择合适的压强 既要考虑化学反应速率和化学平衡 还要考虑动力 材料 设备等 小结 反思 二 合成氨工业简述 1 主要流程 2 原料气制取 制氮气 造气 净化 合成氨 制氢气 ch4 g h2o g co g 3h2 g co g h2o g co2 g h2 g h2o 气 合成氨工厂一角 合成氨工厂一角 我国合成氨工业的发展情况 我国合成氨工业开始于20世纪30年代 1949年新中国成立时合成氨厂只有3家 年生产能力不到0 6万吨 经过几十年的努力 我国已经拥有多种原料 不同流程的大 中 小合成氨厂1000多家 到2000年 合成氨年产量达到3363 7万吨 从生产能力和产量上都位居世界前列 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 抗毒能力强的新型催化剂 仿生固氮酶催化剂 能力提高 反馈练习 d 1 工业合成氨反应是700k左右进行的 这主要原因是 700k时氨的平衡浓度最大700k时此反应速率最