20141018合成氨工业与化学反应原理复习鲁新玲4

合成氨工业与化学反应原理复习广州市第六中学 高三备课组 鲁新玲【素材1】 在19世纪以前，农业上所需氮肥主要来自有机物的副产品，如粪类、种子饼及绿肥。随着农业的发展，对氮肥的需求量在迅速增长如何使大气中游离态氮转变成可为植物吸收的化合态氮，在19世纪、20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。利用氮气和氢气为原料实现合成氨，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了150年的漫长历程。 1900年，法国化学家勒夏特列通过理论计算，认为N。和H2在高压下可以直接化合生成氨。然而由于实验验证过程中发生了爆炸，致使其放弃了继续研究。 哈伯对合成氨进行全面系统的研究和实验，终于在1908年7月在实验室用N 和H 在600 、200个大气压下合成氨，产率仅有2% 。1909年哈伯的研究取得了鼓舞人心的成果，在600 的高温、200个大气压和锇为催化剂的条件下，产率约为6 %。 Hz和N 即使在高温、高压、催化剂的条件下反应也不能完全转化为生成物， 这又说明了什么?怎么知道一定条件下，某可逆反应的限度是多怎么知道一定条件下，某可逆反应的限度是多少呢? 1909年，哈伯在卡尔斯鲁厄大学建立一个每小时80 g合成氨的试验装置。哈伯把他们取得的 成果介绍给德国当时最大的化工企业一 巴登苯胺 纯碱公司，并在他的实验室做了示范表演。可是实 验开始不久，有一个密封处就经受不住内部的压 力，于是混合气体立即冲了出来，发出惊人的呼啸 声。修复后，又进行了几小时的反应，清澈透明的液氨从分离器的旋塞里一滴滴地流出来。 哈伯的那套装置，在示范表演后的第二天发生 了爆炸。 走出实验室，进行工业化生产，仍将要付 出艰辛的劳动。 德国化学工程专家卡尔博施用了几年的时间，终于设计成了能长期使用和操作的合成氨装置，将哈伯研究的成果付诸生产。 由于高压设备尺寸的限制，50 年代以前，最大的氨合成塔能力不超过日产200t 氨，随着由汽轮机驱动的大型、高压离心式压缩机研制成功，为合成氨装置大型化提供了条件，大型合成氨厂的数目也逐年增多。1963 和1966 年美国凯洛格公司先后建成世界上第一座日产540t 和900t 氨的单系列装置。20世纪70年代起，我国开始了大型合成氨成套装置的自行设计、自行制造工作，第一套年产30万吨的合成氨装置于80年在上海建成投产。设计意图 再现科学家在掌握理论的基础上从实际出发研究课题并进行工业化生产的过程【素材2】 设计意图 揭示一个反应从理论到实际应用的思路【素材3】500下的合成氨反应3H2 + N2 2 NH3 , H92.4 kJmol1实验测定的浓度和实验平衡常数起始浓度cmoldm-3平衡浓度cmoldm-3H2N2NH3H2N2NH3K=1.54150.880501.150.750.2615.9810-20.64051.043500.511.000.0876.0510-21.9681.35601.351.150.4126.0010-201.042.892.431.851.276.0810-200.261.3561.470.750.3765.9310-2平均值6.010-2【概念升华】：平衡常数的意义【素材4】合成氨3H2（g） + N2（g） 2 NH3（g） H92.4 kJmol1的平衡常数在不同温度下的数据T/K473573673773873973K4.410-24.910-31.910-41.610-52.810-64.810-7Q：结合素材3、4归纳，合成氨反应有哪些特点？（A：可逆反应，正向进行的程度较小；放热反应；体积缩小的反应）设计意图 归纳反应特征，强调内因不可改变，为通过外因作用来调控反应进行程度提供理论参考【素材5】氨的物质的量百分数随温度、压强变化的曲线图 Q：根据上图完成下列2个表格：500不同压强下平衡时氨的物质的量的百分数压强kPa1.01031.01043.01046.01041.0105氨的物质的量的百分数%3.0104kPa不同温度下平衡时氨的物质的量的百分数温度200250300350400450500550600氨的物质的量的百分数%【素材6】压强/MPaNH3质量分数/% 合成氨反应中不同压强、温度下NH3的质量分数温度/0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4Q：结合素材3、4、5、6说明，欲使提高NH3在平衡混合物中的比例，应选择什么条件？设计意图 从提高平衡混合物中氨的含量角度分析调控生产条件【素材7】 分析反应机理与化学反应速率快慢的理论依据有效碰撞理论1918年，路易斯运用分子运动论的成果，提出了反应速率的碰撞理论。有效碰撞模型的要点：1.没有碰撞就没有反应。 有效碰撞 2.有碰撞不一定有反应。 3.什么样的碰撞才有反应？ 活化分子 活化能Q：化学反应速率与有效碰撞、活化分子百分数、单位体积内的分子数、活化能等的内在联系？Q：外界条件（浓度、压强、温度、催化剂等）如何通过影响微观粒子的行为而影响化学反应速率？设计意图 理清微观反应历程，强调内因不可改变，为通过外因作用来调控反应速率提供理论参考：碰撞的有效性由能量因素和空间因素共同决定，其中人们可以操控的主要是能量因素，即活化能以及反应物分子的能量，归根结底可以通过调控单位体积内活化分子的数目来控制反应速率。因此可以有3种方法：第一种方法，通过降低反应的活化能，提高活化分子百分数，加快反应速率，其对应措施为加入催化剂；另一种方法，从提高反应物分子的能量人手，即通过加热、点燃、光照等手段，向体系输入能量，提高活化分子百分数使反应速率得以加快；第三种方法，不改变活化分子百分数，但是通过增大浓度或压强，提高单位体积内活化分子的数目使反应速率得以提高。【素材8】 3H2（g） + N2（g） 2 NH3（g） H92.4 kJmol1催化剂对合成氨的影响（700K时）条件E/KJmol-1v（催）/v（无）无催化剂335 3.41012使用Fe催化剂167注：一般反应的活化能在6O kJmol250 kJmol之间。活化能小于4O kJmol的反应速率很快，用一般的方法难以测定其反应速率，活化能大于400 kJmol的反应，反应速率很小。 【素材9】 Q：结合素材8、9分析影响合成氨的化学反应速率最突出的因素是什么？欲提高合成氨