高中化学 2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨课件2 鲁科版选修4-鲁科版高中选修4化学课件

1、第第 4 节节 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1.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；成氨的适宜条件；2.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产的选择与理论分析的差异；方法，体验实际生产的选择与理论分析的差异；3.通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。19世纪以前，有远见的化学家曾指出：考虑到将来的粮世纪

2、以前，有远见的化学家曾指出：考虑到将来的粮食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须寄希望于科学家食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须寄希望于科学家能实现大气固氮能实现大气固氮将空气中丰富的氮固定下来并转化将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。德国化学家哈伯在为可被利用的形式。德国化学家哈伯在1913年实现了合年实现了合成氨的工业生产，满足了成氨的工业生产，满足了20世纪人口由世纪人口由30亿增至亿增至60亿对粮食的需求，因此人们亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人用空气制造面包的圣人”。弗里茨弗里茨哈伯哈伯利用氮气、氢气为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难利用氮

3、气、氢气为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了150 年的时间。年的时间。反应反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看起来十分简单，为什么看起来十分简单，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？合成氨工厂为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？化学反应化学反应的方向的方向化学反应化学反应的限度的限度化学反应化学反应

4、的速率的速率合成氨反合成氨反应能否自应能否自发进行发进行怎样能使怎样能使化学平衡化学平衡向合成氨向合成氨方向移动方向移动怎样能怎样能提高合提高合成氨反成氨反应速率应速率适宜的合成氨条件适宜的合成氨条件工艺流程工艺流程化学工艺学化学工艺学高压对设备材质、加工高压对设备材质、加工制造的要求、温度对催制造的要求、温度对催化剂活性的影响等化剂活性的影响等合成氨反应有哪些特点？合成氨反应有哪些特点？可逆反应可逆反应正反应气体体积缩小正反应气体体积缩小 正反应是放热反应正反应是放热反应熵减小的反应熵减小的反应S0 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H-92.4 kJ/mol(1体积体积) (3

5、体积体积) (2体积体积)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298 K时时: H=-92.2 kJmol-1 S =-198.2 JK-1mol-1合成氨反应的平衡常数合成氨反应的平衡常数K=4.1106（molL-1)-2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298 K下合成氨反应能否下合成氨反应能否自发进行？自发进行？H-TS =-92.2 kJmol-1+298 K198.210-3 kJk-1mol-1因为因为H-TS0， 298 K下合成氨反应能自发进行。下合成氨反应能自发进行。已知增加已知增加N2的

6、量能增大的量能增大H2的转化率，结合方程式判断：的转化率，结合方程式判断：工业合成氨时加入氮气的量是越多越好吗？工业合成氨时加入氮气的量是越多越好吗？N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H 92.4 kJ/mol不是。经研究，工业合成氨采用不是。经研究，工业合成氨采用N2:H2=1:2.8效果较好。效果较好。1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H231.457.579.892.698.81108Pa23.142.265.284.295.46107Pa9.119.138.264.286.42107Pa4.510.625.152.

7、081.51107Pa13.826.447.071.089.93107Pa0.050.10.42.215.3 1105Pa 400 600 500 300 200 压压强强氨氨含含量量温温 度度不同条件下平衡混合气中氨的体积分数不同条件下平衡混合气中氨的体积分数思考相同温度时增大压强，反应的程度如何变化？思考相同温度时增大压强，反应的程度如何变化？反应的程度增大。反应的程度增大。31.457.579.892.698.81108Pa23.142.265.284.295.46107Pa9.119.138.264.286.42107Pa4.510.625.152.081.51107Pa13.826.

8、447.071.089.93107Pa0.050.10.42.215.3 1105Pa 400 600 500 300 200 压压强强氨氨含含量量温温 度度不同条件下平衡混合气中氨的体积分数不同条件下平衡混合气中氨的体积分数思考相同压强时升高温度，反应的程度如何变化？思考相同压强时升高温度，反应的程度如何变化？反应的程度减小反应的程度减小使生产氨气快使生产氨气快（速率分析）（速率分析）使生成氨气多使生成氨气多（平衡分析）（平衡分析） 压强压强 温度温度 催化剂催化剂高压高压高温高温使用使用高压高压低温低温不影响不影响根据外界条件对反应速率和反应限度的影响，根据外界条件对反应速率和反应限度的影

9、响，请为工业合成氨选择合适的条件：请为工业合成氨选择合适的条件：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.4 kJmol-1思考：温度是否越高越好？思考：温度是否越高越好？ 压强是否越大越好？压强是否越大越好？考虑催化剂的活性考虑催化剂的活性考虑设备的耐压能力考虑设备的耐压能力N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H-92.4 kJmol-1让我好好想想？让我好好想想？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 适宜温度（适宜温度（500左右）左右）使用铁作催化剂使用铁作催化剂N2和和H2的物质的量比为的物质的量比为1:2.8的

10、投料比的投料比, 氨及时从混合气中分离出去氨及时从混合气中分离出去21075107 Pa催化剂活性大催化剂活性大1.一般要使用催化剂：一般要使用催化剂：2.选择合适的温度：选择合适的温度：3.选择合适的压强：选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要综合考虑设既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要综合考虑设备等。备等。该温度是催化剂活性最大的温度；该温度是催化剂活性最大的温度；加快化学反应速率，提高生产效率，提高经济效益；加快化学反应速率，提高生产效率，提高经济效益；工业上利用某可逆反应生产产品有哪些注意事项？工业上利用某可逆反应生产产品有哪些注意事项？例例 (双选双选)在合成氨工业中

11、，为增加在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（列变化过程不能使平衡向右移动的是（ ）A.不断将不断将NH3分离出来分离出来B.使用催化剂使用催化剂C.采用采用700 K左右的高温左右的高温D.采用采用21075107 Pa的压强的压强BC合成氨工业简述：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：常用压缩液态空气常用压缩液态空气 N2(先逸出先逸出)蒸发蒸发制氮气制氮气:（造气）（造气）（净化）（净化）（合成氨）（合成氨）制氢气制氢气:水蒸气水蒸气 CO+H2

12、 CO2+H2 H2 炽热碳炽热碳H2O(气气)分离分离出出CO2 合成氨的压缩机合成氨的压缩机催化剂的催化能力一般称为催化活性。催化剂因接触少催化剂的催化能力一般称为催化活性。催化剂因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，称为催化剂的量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，称为催化剂的中毒。催化剂中毒后，往往会完全失去活性，严重影响中毒。催化剂中毒后，往往会完全失去活性，严重影响生产的正常进行。例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，生产的正常进行。例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，O2、CO、CO2和水蒸气等都能使催化剂中毒。工业上为和水蒸气等都能使催化剂中毒。工业上为了防止催化剂中毒，要把反应

13、物原料加以净化，以除去了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有毒物，这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。催化剂中毒催化剂中毒 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；1949年全年全国氮肥产量仅国氮肥产量仅0.6万吨；万吨；1982年达到年达到1 021.9万吨，成为万吨，成为世界上产量最高的国家之一。世界上产量最高的国家之一。 近几年来，我国引进了一批年产近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化万吨氮

14、肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。技术和设备都很先进。我国合成氨工业的发展情况：我国合成氨工业的发展情况：工业合成氨的适宜条件工业合成氨的适宜条件:(速率较快速率较快,转化率适中，催化剂活性最大转化率适中，催化剂活性最大)温度温度: 700 K压强压强: 21075107 Pa（200500 atm）催化剂：铁触媒

15、催化剂：铁触媒(以铁为主体的多成分催化剂以铁为主体的多成分催化剂)浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，且向循环气中不断补充且向循环气中不断补充N2、H2（1:2.8)。1.能使合成氨反应进行程度增大的方法是（能使合成氨反应进行程度增大的方法是（ ）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.及时分离出氨气及时分离出氨气D2.（双选）合成氨所需的（双选）合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应制得，其可由煤和水蒸气反应制得，其中一步的反应为中一步的反应为CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)（正反（正反应放热），下列措

16、施中，能提高应放热），下列措施中，能提高CO转化率的是（转化率的是（ ）A.增大压强增大压强 B.降低温度降低温度 C.增大水蒸气浓度增大水蒸气浓度 D.增大增大CO浓度浓度BCC3.一定温度下，向一个容积为一定温度下，向一个容积为2 L的事先加入催化剂的真的事先加入催化剂的真空密闭容器中通入空密闭容器中通入1 mol N2和和3 mol H2，3 min后测得容后测得容器的压强是起始压强的器的压强是起始压强的0.9倍，在此时间内，用倍，在此时间内，用H2的量的量的变化来表示该反应的平均速率是（的变化来表示该反应的平均速率是（ ）A.0.2 molL-1min-1 B.0.6 molL-1mi

17、n-1 C.0.1 molL-1min-1 D.0.3 molL-1min-14.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H2C.充入过量充入过量N2 D.升高温度升高温度5.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：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.低温低温 高压高压CD6.关于氨的合成工业的下列说法正确的是（关于氨的合成工业的下列说法正确的是（ ）A.从合成塔出来的气体中氨一般占从合成塔出来的气体中氨一般占15%，所以工业生，所以工业生产氨的效率都很低产氨的效率都很低B.由于由于NH3易液化，易液化，N2、H2可循环使用，因此总的来可循环使用，因此总的来说工业合成氨的产率很高说工业合成氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在合成氨工业的反应温度控制在500 左右，目的是左右，目的是使平衡向正反应方向移动使平衡向正反应方向移动D.合成氨工业采用合成氨