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教案鲁科版选修

第4节化学反应条件的优化

—工业合成氨【工业合成氨的发展历史】Fritz-Haber(1868-1934)NobelPrize1918实验室合成氨CarlBosch(1874-1940)NobelPrize1931实现工业合成氨GerhardErtlNobelPrize2007对合成氨机理进行了实证研究1784年发现氨1913年实现氨的工业化,给全人类带来了福音。N2(g)+3H2(g)2NH3(g)1907年德国化学家哈伯第一次在实验室成功制取了氨。学习目标1.通过小组讨论，能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。2.通过对合成氨适宜条件的分析，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异，并归纳出分析化工生产条件的思路和方法。3.通过认识化学反应原理在合成氨工业生产中的重要作用，提升对化学反应价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。学习过程【问题探究一】合成氨反应的限度和速率【问题探究二】

合成氨的适宜条件早在19世纪以前，英国物理学家克鲁克斯率先发出了“向空气中要氮肥”的号召。空气中富含现成的氮气和氧气，而氢气需要人工制备，为什么科学家不选择氮气和氧气，而选择氮气和氢气去合成氨呢？化学反应反应温度（℃）平衡常数N2+3H2⇌2NH3255×108N2+02⇌2NO253.8×10-31N2+02⇌2NO20000.1思考展示小组分工及要求○声音洪亮，条理清楚○口头表述清晰流畅，能够解答质疑展示要求展示内容展示小组展示方式探究一问题17口头表述+黑板展示探究一问题28口头表述+黑板展示5分钟【问题探究一】合成氨反应的限度和速率问题1合成氨反应的限度材料1：合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

已知298K时：△H=—92.2kJ·mol-1，△S=—198.2J·K-1·mol-1

表1合成氨平衡混合气中氨的体积分数（原料气中氮氢体积比为1:3）根据以上信息，回答下列问题：1.结合表1，利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。2.N2、H2体积比为___________时平衡混合物中氨的含量最高。3.除此之外，还可以改变什么条件有利于氨的合成呢？

NH3%0.60.50.40.30.20.1

1:11:21:31:41:51:6n(N2):n(H2)图1原料投料比对平衡混合气中氨的体积分数的影响问题2合成氨反应速率材料1：实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:ν=kc(N2)c1.5(H2)c—1(NH3)。材料2：表2催化剂对合成氨反应速率的影响根据以上信息，回答下列问题：1.根据材料1，可以采取哪些措施来提高反应速率？2.根据材料2，分析催化剂对合成氨反应速率的影响？3.结合已学知识和材料，你认为可以通过控制哪些条件来提高合成氨反应的速率？条件Ea/KJ/molk(催)/k(无)无催化剂3353.4×1012(700k)使用Fe催化剂167外界条件使NH3生产得多使NH3生产得快平衡分析速率分析

压强温度催化剂反应物浓度生成物的浓度增大压强升高温度使用增大反应物浓度增大压强降低温度无影响增大反应物浓度【小结】根据以上理论分析，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？减小生成物的浓度减小生成物的浓度

1907年德国化学家哈伯等人在实验室选择锇为催化剂，温度约600℃，200个大气压的不寻常的高压条件下，第一次成功制取了氨。获得1918年诺贝尔化学奖。Fritz-Haber合成氨是哈伯一生最大的成就，尽管实验室制得NH3，但氨的平衡含量很低，并没有马上得到工业界的青睐。他的研究步入低谷，合作伙伴中途撤资，竞争对手冷嘲热讽。哈伯没有气馁，他坚信：若能使N2、H2在高压下循环加工，并从循环系统中不断分离，在工业上肯定会有价值，著名的“哈伯循环”成功问世。赞扬他的人说他是‘天使’——用空气制造面包;诅咒他的人称他为‘魔鬼’——开化学武器之先河。（1）尽可能提高反应混合物中所需物质的百分含量；（2）尽可能缩短反应到达平衡所需要的时间；（3）尽可能降低对耐高温高压设备所需材料的要求。(4)符合绿色化学理念(一是注意环境保护二是原子利用率接近百分之百)假如你是一家合成氨的BOSS，选择工业合成氨适宜条件时主要考虑的哪些因素？【资料一】锇是一种贵重金属，储量较少，开发成本高，粉末状的金属锇，常温下会逐渐氧化成四氧化锇。四氧化锇在48℃时熔化，在130℃时沸腾。锇蒸汽有剧毒，强烈刺激人眼黏膜，严重会造成失明。【资料二】高温高压条件下，氢气会使钢脱碳，会导致“氢腐蚀”。氢腐蚀有2种形式：（1）氢气与钢表面的碳结合，引起表面脱碳，使机械性能恶化；（2）氢气渗透到钢材内部，与碳化合生成甲烷，在钢材内部造成裂纹。当时的试验情况是，尽管反应塔壁厚达3cm，也仅仅使用3天就破裂了。【资料三】当氮气与氢气体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高，但是氮气在催化剂上吸附是反应中最难发生的步骤，是影响反应速率的关键步骤。【资料四】催化剂铁触媒在不同温度下活性不同。寻找合适的催化剂，降低成本制造耐高温高压设备调整氮、氢比例选择合适的温度你可能不知道展示小组分工及要求○声音洪亮，条理清楚○口头表述清晰流畅，能够解答质疑展示要求展示内容展示小组展示方式探究二12口头表述+黑板展示小结13口头表述+黑板展示5分钟

研讨的内容研讨的问题

研讨的结果4.氮气与氢气物质的量之比？为什么是1:2.8而不是1:3？1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？压强怎么定？2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？3、催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？温度怎么选择？要不要用催化剂？【问题探究二】合成氨的适宜条件选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。1:2.8时更能加快合成氨反应进行，同时提高催化剂的吸附速率。根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在200～500大气压之间。实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。博施【博施团队—工业合成氨适宜条件】

当时德国最大的化工企业BASF公司买下哈伯合成氨专利后，组织以化学工程师博施为首的工程技术团队付诸实施，将其转化为工业生产力。博施先后试验了2500种配方，进行了6500次实验，终于确定了使用铁触媒作为工业合成氨的催化剂。经过多次试验后，博施用含碳量极低档次熟铁作为反应塔的衬里，并在钢壁上开许多小孔让透过熟铁出来的氢气跑掉，1913年双层反应塔终于诞生了。鉴于他在发展高压化学方面取得的成就，荣获1932年度的诺贝尔化学奖。【实验室合成氨的条件】温度压强催化剂浓度450℃2×107Pa金属锇使氨气氢气循环，分离出氨气反应速率，反应限度催化剂活性钢材质量及综合指标成本实际反应情况温度压强催化剂浓度700K2×107—5×107Pa铁触媒氮气氢气物质的量之比1:2.8哈伯博施【工业合成氨适宜条件】工业生产需要课堂小结方法引导工业生产条件的选择与优化一般思路与方法：（1）条件的选择—反应速率和化学平衡共同作用的结果。（2）既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。（3）考虑原料的价格、未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。450℃

常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的成本更高，对设备的要求更高，得不偿失。典例分析1.从理论上分析，为了使二氧化硫的尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是_______________。2.实际生产中，选定的温度_________。3.实际生产中，采用的压强为常压，其原因是_____________________