《化学反应条件的优化---工业合成氨》课件(鲁科版选修4)

1、化学反应条件的优化化学反应条件的优化工业合成氨工业合成氨 弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：用空气制造面包的圣人用空气制造面包的圣人弗里茨弗里茨哈伯与合成氨哈伯与合成氨自自1784年人们发现了氨之后，尤其是人们认识到氨年人们发现了氨之后，尤其是人们认识到氨对于植物生长的作用之后，人们就一直想将空气中对于植物生长的作用之后，人们就一直想将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。合成丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约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。德国科学家哈伯在年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了年的时间内进行了无数

2、次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年年间他们就进行了多达间他们就进行了多达6500次试验，测试了次试验，测试了2500种不种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂同的配方，最后选定了一种合适的催化剂-铁铁，使，使合成氨的设想在合成氨的设想在1913年成为工业现实，满足了年成为工业现实，满足了20世世纪人口由纪人口由30亿增至亿增至60亿对粮食的需求，因此人们赞亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是扬哈伯是“用空气制造面包的圣人用空气制造面包的圣人”。鉴于合成氨。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发年向哈伯

3、颁发了诺贝尔化学奖。了诺贝尔化学奖。化学反应化学反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看起来十看起来十分的简单，为什么合成氨的工业化生产分的简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨工厂为会经历如此漫长的过程？合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？特殊的生产条件？工业生产时主要考虑的因素？工业生产时主要考虑的因素？（1 1）要使氨生成得更多（即提高平衡混合物里氨的含量）要使氨生成得更多（即提高平衡混合物里氨的含量） 化学平衡问题化学平衡问题（2 2）要使氨生成得更快（即提高单位时间里氨的产量）要使氨生成得更快（即提

4、高单位时间里氨的产量） 化学反应速率问题化学反应速率问题（3 3）尽可能降低成本；如对耐高温设备所需材料的要求。）尽可能降低成本；如对耐高温设备所需材料的要求。（4 4）符合）符合绿色化学绿色化学理念，理念， 即注意环境保护，反应物利用率接近百分之百即注意环境保护，反应物利用率接近百分之百复习复习影响化学反应速率和化学平衡影响化学反应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,反应速反应速率越大率越大压强越大压强越大,反应速反应速率越大率越大正催化剂加快反应正催化剂加快反应速率速率反

5、应物浓度越大反应物浓度越大,反反应速率越大应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应物浓度增大反应物浓度,平平衡正向移动衡正向移动【交流交流研讨研讨】合成氨反应是一个可逆反应合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)已知已知298K时时: H= -92.2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析请根据正反应的焓变和熵变分析298K下下合成氨反应能否自发进行？合成氨反应能否自发进行？

6、298K下合成氨反应的平衡常数下合成氨反应的平衡常数K为为.（molL-1)-2书书P65 P65 合成氨反应的特点：合成氨反应的特点：正反应正反应气态物质系数气态物质系数_正反应是正反应是_反反应应熵熵_的反应的反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol(1体积体积) (3体积体积) (2体积体积) S = -198.2JK-1mol-1S = -198.2JK-1mol-1 _反应反应可逆可逆放热放热减小减小减小减小【交流交流研讨研讨】 请利用化学平衡移动的知识分析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什么条件有利于氨的合成书书P65 P65 一、

7、合成氨反应的限度一、合成氨反应的限度1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2_温度、温度、_压压强强有利于化学平衡有利于化学平衡向向生成氨的方生成氨的方向移动向移动，N2、H2体积体积比为比为_时平衡混合物中氨的含量最高时平衡混合物中氨的含量最高。增大增大降低降低1：3【交流交流研讨研讨】1、你认为可以通过控制那些反应、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？条件来提高合成氨反应的速率？2、实验实验研究研究表明表明，在特定条件下，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为度

8、的关系为: =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请你根据关系式分析：各物质的请你根据关系式分析：各物质的浓浓度度对对反反应速率有哪些影响？可以采应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？取哪些措施来提高反应速率？书书P66 P66 二、合成氨反应的速率二、合成氨反应的速率3、请你根据下表所给的数据分析催化、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：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1671.升高温升高温度度2.增大压增大压强

9、强3.增大反应物浓度增大反应物浓度4.使用催化剂使用催化剂5.增大增大N2H2浓度浓度,将氨及时从将氨及时从混合气中分离出去混合气中分离出去使用催化剂可使合成氨反应的速率提使用催化剂可使合成氨反应的速率提高高上万亿上万亿倍。倍。生成生成物物氨的浓度氨的浓度反应物的浓度反应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生产得生产得快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生产得生产得多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 1 1、压强怎么选？、压强怎么选？ 分析：分析： 合成氨反应是气态物质系数

10、减小的气体合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，反应，增大增大压强既可以压强既可以增大增大反应速率，又能使反应速率，又能使平衡正向平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。移动，所以理论上压强越大越好。 但是压强越大，对但是压强越大，对设备设备的要求高、压缩的要求高、压缩H H2 2和和N N2 2所需要的所需要的动力动力大，因此选择压强应符合大，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: :根据反应器可使用的钢根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。材质量及综合指标来选择压强。实际生产中实际生产中压强一般选择在压强一般选择在200200500500大气压

11、大气压之间。之间。 2 2、温度怎么选择？、温度怎么选择？ 分析：分析： 因为正反应方向是放热的反应，所以因为正反应方向是放热的反应，所以降低降低温温度有利于平衡度有利于平衡正向正向移动。移动。 可是温度越低，反应可是温度越低，反应速率越小速率越小，达到平衡所需，达到平衡所需要的时间越要的时间越长长，因此温度也不宜太低。，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左右左右（主要考虑催化剂的活性）（主要考虑催化剂的活性）。 3 3、用不用催化剂？、用不用

12、催化剂？ 实际生产中选用实际生产中选用铁铁为主体的多成分催化剂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。 分析分析: : 经济效益经济效益和和社会效益社会效益要求化学反应速度要要求化学反应速度要快快， 原料的利用率要原料的利用率要高高，单位时间的产量要，单位时间的产量要高高。 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？ 增大增大反应物的浓度可以反应物的浓度可以增大增大反应速率，反应速率，减小减小生成物的浓度可以使平衡生成物的浓度可以使平衡正向正向移动。从化学平衡移动。从化学平衡的角度分析，在氮

13、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，平衡时，平衡转化率最大转化率最大，但是，但是实验测得实验测得适当提高适当提高N N2 2的的浓度，即浓度，即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8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实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却：及时将气态氨冷却液化分离液化分离出去；及时将氮气和氢气出去；及时将氮气和氢气循环循环利用，使利用，使其保持一定的浓度。其保持一定的浓度。即即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8（阅读书本（阅读

14、书本67页）页）外部条件外部条件工业合成氨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应器可使用的钢材质根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强量及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1：2.8的投的投料比料比, 氨及时从混合气中分离出去氨及时从混合气中分离出去合合 成成 氨氨 流流 程程 简简 图图合 成 塔氨 分 离 器水 冷 器循环气体 解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂； 19491949年全国氮肥产量仅年全国

15、氮肥产量仅0.60.6万吨；万吨； 20002000年达到年达到3363.73363.7万吨万吨 能使合成氨反应进行程度增大的方能使合成氨反应进行程度增大的方法是（法是（ ） A、升高温度、升高温度 B 、降低压强、降低压强 C、使用催化剂、使用催化剂 D 、及时分离出、及时分离出氨气氨气D1 1在合成氨工业中，为增加在合成氨工业中，为增加NHNH3 3的日产量，下列变的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（化过程不能使平衡向右移动的是（ ）（A A）不断将）不断将NHNH3 3分离出来分离出来（B B）使用催化剂）使用催化剂（C C）采用）采用700K700K左右的高温左右的高温（D

16、D）采用）采用2 210107 75 510107 7PaPa的压强的压强练一练：练一练：BC2.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：的含量最高：X2(g)+2Y2 (g) X2Y4 (g) （正反应为放热反应）（正反应为放热反应）( )A.高温高温 高压高压 B.低温低温 低压低压 C.高温高温 低压低压 D.高压高压 低温低温D3、在合成氨时，可以提高、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（转化率的措施是（ ）(A)延长反应时间延长反应时间 (B)充入过量充入过量H2(C)充入过量充入过量N2 (D)升高温度升高温度C4 4、合成氨所需的、合成氨所需的H H2 2可由煤和水蒸气反应可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：而制得，其中一步的反应为：COCO(g)(g)+H+H2 2O O（g g） COCO2(g)2(g)+H+H2(g)2(g)（正反应放（正反应放热）