化学反应的调控 【 备课精讲精研 】高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

“工业合成氨”有话对你说人教版（2019）选择性必修一

第二章

化学反应速率与平衡第四节

化学反应的调控哈伯博施向天要化肥N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)△H=-92KJ/mol合成氨工艺原理⇌

速率层面平衡层面视角一工业合成氨的条件选择快多问题1：从经济效益角度来看，工业生产应该考虑哪些方面的问题？问题2：请从浓度、温度、压强、催化剂四个维度判断应该如何提高合成氨反应的速率以及提高平衡时氨的含量影响速率角度：高压平衡角度：高压速率角度：使用平衡角度：无影响速率角度：浓度高平衡角度：浓度高速率角度：高温平衡角度：低温浓度压强温度催化剂视角一工业合成氨的条件选择活动1：根据课本中提供的资料，小组讨论选择合成氨的最适条件原料气中N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率。1:11:21:31:41:51:60.50.40.30.1NH3%N2:H20.20.6理论：T、P一定时，N2：H2=1∶3时，平衡混合物中NH3的含量最高。实际：当N2：H2=1∶2.8时更能加快合成氨反应(催化剂的实际效果)视角一工业合成氨的条件选择视角一工业合成氨的条件选择资料补充温度/℃氨的含量/％0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.4催化剂/种类特点最适温度性质来源价格锇500-600℃难加工、易被空气氧化稀有金属世界上储量极少高昂铀-碳化铀600℃不稳定、对水敏感放射性元素

稀少高昂铁触媒（含铅镁促进剂）400-500℃稳定地壳中含量多较为廉价最优条件：投料比N2：H2=1∶2.8前提下，选择400-500℃，10MPa-30MPa的条件在催化剂作用下的反应历程为(*表示吸附态)化学吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；表面反应：N*＋H*NH*；NH*＋H*NH；NH＋H*NH脱附：NHNH3(g)其中，N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。视角一工业合成氨的条件选择哈伯合成氨所用装置冷却室反应器出水口干燥室液态NH3出口进水口未反应气体通过循环泵返回压缩N2和H2进口哈伯1918年获得诺贝尔化学奖“合成氨的基础开发工作”在催化剂作用下的反应历程为(*表示吸附态)化学吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；表面反应：N*＋H*NH*；NH*＋H*NH；NH＋H*NH脱附：NHNH3(g)其中，N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。视角二工业合成氨的实际生产问题1：实际生产中如何获得大量廉价的原料气？氮气氢气空气压缩液态空气蒸发N2逸出物理方法化学方法碳CO2与N2K2CO3溶液N2逸出造气净化合成氨你化学吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；表面反应：N*＋H*NH*；NH*＋H*NH；NH＋H*NH脱附：NHNH3(g)其中，N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。视角二工业合成氨的实际生产氢气方案1：活泼金属与酸的置换反应方案2：电解水获取氢气方案3：利用水煤气（主要成分H2和CO）制备氢气C+H2OCO+H2CH4+H2OCO+3H2CO+H2OCO2+H2问题2：水煤气法中为什么要继续将CO转化为CO2？煤天然气防止催化剂中毒

视角二工业合成氨的实际生产资料补充H2SCOCO2O2原料气中主要的杂质气体问题3：如何在合成氨工业中对原料气进行净化？①稀氨水吸收H2S：NH3•H2O+H2S==NH4HS+H2O②使CO转化为CO2：CO+H2OCO2+H2③CO2用K2CO3溶液吸收：CO2+K2CO3+H2O==2KHCO3④最后原料气还需精制处理，用醋酸、铜、氨配制成的溶液来吸收上述所有气体铁触媒博施团队经过了超2万次的实验，最终筛选出铁触媒作为工业合成氨的催化剂博施1931年获得诺贝尔化学奖实现了合成氨的工业化巴斯夫公司合成氨塔遗址位于德国路德维尔，是合成氨历史上具有里程碑意义的一次重要创举视角二工业合成氨的实际生产

视角二工业合成氨的实际生产问题4：即使在选择的最优条件下，合成氨平衡体积分数也只有26.4%，还应如何提高反应物的转化率？资料补充N2H2NH3沸点/℃-195.8-252.7-33.5N2、H2

、NH3的常压下沸点NH3在不同压强下的沸点压强/MPa0.1125102050沸点/℃-33.5254886121164237合成氨的高压条件下，氨气沸点已高于100

℃，可采用冷凝水冷却解决措施迅速冷却，使气态氨液化，并从平衡混合物中分离出去，促进化学反应向生成氨的方向移动措施一分离液氨将液氨分离后的混合气体循环至热交换器，并不断补充N2、H2

，使反应物保持一定浓度，利于合成氨反应措施二原料循环视角二工业合成氨的实际生产问题4：即使在选择的最优条件下，合成氨平衡体积分数也只有26.4%，还应如何提高反应物的转化率？视角二工业合成氨的实际生产活动1：请你从天然气为出发，作出工业合成氨的流程图（可考虑副产品）正确且合适的化学反应理论条件与实际因素相结合，选出最利于生产的方案寻找最优的生产设备视角二工业合成氨的实际生产原理条件设备活动2：请你总结化工生产的一般规划埃特尔2007年诺贝尔化学奖获得者研究吸附催化的反应机理

揭开了合成氨的“天机”视角三工业合成氨的现状与前景

原料气中N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；N2在催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率。3.5亿吨40亿吨据统计，每年，全世界在合成氨工业中消耗3.5亿吨能源，占全人类能源消耗的1%-2%。每年，全世界在合成氨工业中向外排放CO2高达40亿吨视角三工业合成氨的现状与前景问题1：你认为哈伯-博施法的合成氨工业还有什么方面亟需突破？降低能耗节能减排温和条件【展望1】电化学法合成氨视角三工业合成氨的现状与前景【展望2】仿生固氮酶催化剂视角三工业合成氨的现状与前景生物固氮具有条件温和，转化率高达100%的特点，通过生物的固氮酶可以协同活化氮分子，削弱或打开氮氮三键。化学家若能在仿生固氮酶的研发方面进一步拓展，即有望实现温和条件下的氨合成。早在20世纪60年代中国结构化学先驱卢嘉锡院士提出固氮酶活性中心的结构模型2016年，中国科学院大连化学物理研究所的科学家们研制出了新型催化