202X年高中化学第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8鲁科版选修4

1、学习目标学习目标1.理解如何应用化学反响速率和化学平衡原理，选择适宜氨的适宜条件；初步认识合成氨的化学原理；了解合成氨的主要流程。2.研究应用化学原理选择工业生产条件的思想和方法。复习复习影响化学反响速率和化学平衡影响化学反响速率和化学平衡的重要因素有哪些的重要因素有哪些? 化学反应速率化学反应速率 化学平衡化学平衡 温度温度气体压强气体压强催化剂催化剂浓度浓度温度越高温度越高,反响速反响速率越大率越大压强越大压强越大,反响速反响速率越大率越大正催化剂加快反响正催化剂加快反响速率速率反响物浓度越大反响物浓度越大,反反响速率越大响速率越大升高温度升高温度,平衡向吸平衡向吸热方向移动热方向移动增大

2、压强增大压强,平衡向气态物平衡向气态物质系数减小的方向移动质系数减小的方向移动催化剂对平衡无影响催化剂对平衡无影响增大反响物浓度增大反响物浓度,平平衡正向移动衡正向移动 弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：将空气变为面包将空气变为面包弗里茨弗里茨哈伯与合成氨哈伯与合成氨 合成氨从第一次实验室研制到工业化投产合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约经历了约150150年的时间。德国科学家哈伯在年的时间。德国科学家哈伯在10 10年的时间内进展了无数次的探索，单是寻找年的时间内进展了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，高效稳定的催化剂，2 2年间他们就进展了多达年间他们就进展了多达65006500次试

3、验，测试了次试验，测试了25002500种不同的配方，最后种不同的配方，最后选定了一种适宜的催化剂选定了一种适宜的催化剂-铁，使合成氨的铁，使合成氨的设想在设想在19131913年成为工业现实。鉴于合成氨工业年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于的实现，瑞典皇家科学院于19181918年向哈伯颁发年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。了诺贝尔化学奖。 弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：将空气变为面包将空气变为面包一一 反响的自发性反响的自发性合成氨反响是一个可逆反响合成氨反响是一个可逆反响: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)298K时时: H= -92.2KJmol-1 S = -198.

4、2JK-1mol-1请根据正反响的焓变和熵变分析请根据正反响的焓变和熵变分析:298K下合成氨反响能否自发进展？下合成氨反响能否自发进展？合成氨反响有哪些特点？合成氨反响有哪些特点？请利用请利用化学平衡移动化学平衡移动的知识分析什么的知识分析什么条件有利于氨的合成？条件有利于氨的合成？N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H (1体积体积) (3体积体积) (2体积体积)思考？思考？1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2、H2体积比对产率的影响体积比对产率的影响NH3%1、你认为可以通过控制哪些反响条件、你认为可以通过控制

5、哪些反响条件来提高合成氨反响的速率？来提高合成氨反响的速率？ 升高温度升高温度 增大压强增大压强 增大反响物浓度增大反响物浓度 使用催化剂使用催化剂二二 化学反响速率化学反响速率2、实验研究说明，在特定条件下，、实验研究说明，在特定条件下，合成氨反响的速率与反响的物质的浓合成氨反响的速率与反响的物质的浓度的关系为度的关系为: =C(N2)C(H2)C-1(NH3)请你根据关系式分析：各物质的浓请你根据关系式分析：各物质的浓度对反响速率有哪些影响？可以采度对反响速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反响速率？取哪些措施来提高反响速率？ 增大增大N2H2浓度浓度,将氨及时将氨及时从从 混合气中别离

6、出去混合气中别离出去催化剂对合成氨反响速率的影响条件条件 E /KJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700k)使用使用Fe催化剂催化剂167 使用催化剂可使合成氨反响使用催化剂可使合成氨反响 的速率提高上万亿倍。的速率提高上万亿倍。选择适宜生产条件的原那么是什选择适宜生产条件的原那么是什么么1既要注意外界条件对速率和限度影响既要注意外界条件对速率和限度影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性。的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性。2既要注意温度、催化剂对速率影响的既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的一致性，又要注意催化剂的活性

7、对温度的限制。限制。3既要注意理论上的需要，又要注意实既要注意理论上的需要，又要注意实际可能性。际可能性。生成物氨的浓度生成物氨的浓度反响物的浓度反响物的浓度催化剂催化剂温度温度压强压强速率分析速率分析使使NH3生产得快生产得快外界条件外界条件高压高压高温高温使用使用增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度平衡分析平衡分析使使NH3生产得多生产得多高压高压低温低温无影响无影响增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度 研讨的内容研讨的内容研讨的问题研讨的问题 1、既然增大压强既可提、既然增大压强既可提高反响速率，又可提高氨高反响速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？业

8、中压强是否越大越好？压强怎么定？压强怎么定？2、既然降低温度有利于、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越，那么生产中是否温度越低越好？低越好？3 、催化剂对化学平衡的移动催化剂对化学平衡的移动没有影响，没有影响， 在合成氨工业中在合成氨工业中要不要要不要使用催化剂使用催化剂，为什么？，为什么？温度怎么选择？温度怎么选择？要不要用催化要不要用催化剂？剂？ 1 1、压强怎么选？、压强怎么选？ 合成氨反响是气态物质系数减小的气合成氨反响是气态物质系数减小的气体反响，增大压强既可以增大反响速率，又能体反响，增大压强既可以增大反响速率，又能使平衡正向移动，

9、所以理论上压强越大越好。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、压缩但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2H2和和N2N2所需要的动力大，因此选择压强应符合所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。实际科学技术。 综合以上两点综合以上两点: :根据反响器可使用的根据反响器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。钢材质量及综合指标来选择压强。 2 2、温度怎么选择？、温度怎么选择？ 因为正反响方向是放热的反响，所以降低因为正反响方向是放热的反响，所以降低温度有利于平衡正向移动。温度有利于平衡正向移动。 可是温度越低，反响速率越小，到达平衡所需可是温度越低，反响

10、速率越小，到达平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。要的时间越长，因此温度也不宜太低。 催化剂催化剂要在一定温度下催化要在一定温度下催化活性活性最大。最大。 综合以上因素综合以上因素: :实际生产中温度一般选择在实际生产中温度一般选择在700K700K左右主要考虑催化剂的活性。左右主要考虑催化剂的活性。 3 3、使用催化剂？、使用催化剂？催化剂对合成氨反响速率的影响条件条件 E /KJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700k)使用使用Fe催化剂催化剂167 使用催化剂可使合成氨反响使用催化剂可使合成氨反响 的速率提高上万亿倍。的速率提高上万亿倍。 3 3

11、、使用催化剂？、使用催化剂？ 实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂铁触媒，它在铁触媒，它在700K700K时活性最高。时活性最高。1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2、H2体积比对产率的影响体积比对产率的影响NH3% 4 4、浓度怎么定？、浓度怎么定？ N N2 2 和和H H2 2的比例怎么定？的比例怎么定？ 4 4、浓度怎么定？、浓度怎么定？ N N2 2 和和H H2 2的比例怎么定？的比例怎么定？ 增大反响物的浓度可以增大反响速率，减小增大反响物的浓度可以增大反响速率，减小生成物的

12、浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡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的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1 1：3 3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2N2的浓度，即的浓度，即N2N2和和H2H2的物质的量比为的物质的量比为1 1：时，更能促：时，更能促进氨的合成。进氨的合成。 实际生产中的处理方法：及时将气态氨实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化别离出去；及时将氮气和氢气循冷却液化别离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。环利用，使其保持一定的浓度。外部条件外部条件工业合成氨

13、的适宜条件工业合成氨的适宜条件压强压强温度温度催化剂催化剂浓度浓度研讨的结果根据反响器可使用的钢材质量及根据反响器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强综合指标来选择压强 适宜温度适宜温度 700K左右左右使用铁触媒作催化剂使用铁触媒作催化剂N2和和H2的物质的量比为的物质的量比为1：的投料：的投料比比, 氨及时从混合气中别离出去氨及时从混合气中别离出去【总结总结】一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反响一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反响速率，提高生产效率，也提高了经济效益；速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 选择适宜的温度：该温度是催化剂活性最大选择适宜的温度：该温度是催化剂活性

14、最大的温度；的温度； 选择适宜的压强：既要考虑化学反响速率和选择适宜的压强：既要考虑化学反响速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。 【小结小结反思反思】工业上利用某可逆反响生产产品：工业上利用某可逆反响生产产品：二、合成氨工业简述：二、合成氨工业简述：1、主要流程：、主要流程：原料气制取原料气制取 净化净化 压缩压缩 合成合成 分离分离 液氨液氨2、原料气制取：原料气制取：空气空气压缩压缩碳碳液态空气液态空气 N2(先逸出先逸出) 物理方法物理方法蒸发蒸发CO2(+N2) N2 化学方法化学方法 分离出分离出CO2制氮气制氮气:造气净化合成氨制氢气制氢气:天然气天然气 CO+H2 CO2+H2 H2 H2O(气气)分离出分离出CO2 CH4(g)+H2O(g)