化学反应条件的优化-工业合成氨-高二化学（2019选择性必修1）

第四节化学反应条件的优化——工业合成氨

知新温故影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些?

化学反应速率

化学平衡

温度气体压强催化剂浓度温度越高,反应速率越大压强越大,反应速率越大正催化剂加快反应速率反应物浓度越大,反应速率越大升高温度,平衡向吸热方向移动增大压强,平衡向气态物质系数减小的方向移动催化剂对平衡无影响增大反应物浓度,平衡正向移动弗里茨·哈伯用空气制造面包的人

19世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。合成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10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在1913年成为工业现实，满足了20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人”。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。

自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年才实现了合成氨的工业化生产。经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨1000吨的大型装置。化学反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)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发展过程?合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件?联想·质疑化学热力学化学动力学化学反应的方向化学反应的限度化学反应的速率合成氨反应能否自发进行？怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动？怎样能提高合成氨反应速率？适宜的合成氨条件工艺流程化学工艺学高压对设备材质、加工制造的要求、温度的催化剂活性的影响等合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(1体积)(3体积)(2体积)已知298K时:△H=-92.2KJ·mol-1

，△S=-198.2J·K-1·mol-1【思考】请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？【分析】观察合成氨的化学反应，说明合成反应的特点。交流·研讨①可逆反应③正反应气体体积缩小④正反应是放热反应②熵减小的反应常温(298K)下,能自发进行一、合成氨反应的方向性∆H-T△S=-92.2KJ·mol-1-298K×（-198.2KJ·K·mol-1×10-3

）=-33.1KJ·mol-1＜0二、合成氨反应的限度目标：合成氨的平衡转化率越大越好如何从温度、浓度、压强角度提高合成氨的平衡转化率？N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-92.2kJ·mol-1

因素反应特点相应措施温度浓度压强放热正向反应分子数减小低温高压增加反应物浓度，分离出NH3归纳总结提高合成氨反应限度的方法进一步研究发现，在一定的温度、压强下氮气、氢气的体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高。反应条件：低温、高压、增加反应物浓度、分离出NH3V(N2):V(H2)=1:3实际生产中的处理方法：N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比；及时将气态氨冷却液化分离出去；将氮气和氢气循环利用。N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-92.2kJ·mol-1

资料1.合成氨反应速率与参与反应的物质浓度的关系式为：υ=kc(N2)

·c1.5(H2)·c-1(NH3)三、合成氨反应的速率目标：工业生产希望反应速率越大越好结论：1、氨的合成反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。2.应在反应达到一定转化率时，将氨从混合气中分离出去。3.根据表2-4-1所给数据分析催化剂对氨的合成反应速率的影响。

交流·研讨催化剂对氨的合成反应速率的影响

结论：使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。因此，要实现合成氨的工业化生产，使用适宜的催化剂是最有效的途径。三、合成氨反应的速率使用铁触媒作催化剂条件△E/KJ/molk(催)/k(无)无催化剂3353.4×1012(700k)使用Fe催化剂167合成氨的催化历程工业上，氮气与氢气合成氨的反应是在催化剂表面上进行的。这是一个复杂的过程，一般要经历反应物扩散至催化剂表面、吸附在催化剂表面、发生表面反应、产物从催化剂表面脱附、产物扩散离开反应区等五个步骤。课本78页N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-92.2kJ·mol-1

因素反应特点相应措施温度浓度压强催化剂活化能高高温高压增加反应物浓度，分离出NH3υ=kc(N2)

·c1.5(H2)·c-1(NH3)三、合成氨反应的速率目标：工业生产希望反应速率越大越好如何从温度、浓度、压强、催化剂角度提高合成氨的速率？使用合适的催化剂提高反应的转化率提高反应的速率反应特点措施反应特点措施放热活化能高正反应分子数减少低温时反应速率低反应可逆原料气浓度增大能提高反应速率氨气浓度增大能降低反应速率1.根据氨的合成反应的特点，应分别采取什么措施提高该反应的平衡转化率和反应速率?将有关建议填入表格中。交流·研讨分离出氨气低温使用合适催化剂高压高温原料循环利用增大原料气浓度四、合成氨的适宜条件的选择2.尝试为合成氨生产选择适宜条件。交流·研讨生成物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压强速率分析使NH3生产得快外界条件高压高温使用增大浓度减小浓度平衡分析使NH3生产得多高压低温无影响增大浓度减小浓度反应物的浓度催化剂温度压强使NH3生产得快外界条件使NH3生产得多？研讨的内容研讨的问题研讨的结构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？

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、在氮气和氢气的物质的量之比为1：3时平衡转化率最高。提高氢气的压强似乎更有利于提高合成氨反应的速率，但是，氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，即这是影响反应速率的关键步骤。4、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？3.在确定合成氨生产的适宜条件的过程中，遇到了哪些问题?是怎样解决的?压强怎么定？浓度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？要不要用催化剂？温度怎么选？4.为了提高合成氨生产的能力，还可以在哪些方面做进一步改进?交流·研讨原料的价格未转化的合成气（氮气和氢气）的循环使用反应热的综合利用外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压、高压三种（在107～108Pa之间）700K左右使用铁作催化剂N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去归纳总结工业上利用某可逆反应生产产品：

一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。

合成氨工业生产需要高温、高压的反应条件，在中压工艺条件下，合成氨厂出口气中的氨含量一般为13%～14%。而且催化剂易中毒、使用寿命不长。据估计，在自然界里，由于生物固氮酶催化剂（如根瘤菌）的作用，在常温、常压下每年可以从空气中固定1亿吨氮，因此仿生固氮酶催化剂的研制这一前沿课题一直为人们所关注，但至今进展甚微。神奇的生物固氮阅读课本80页课堂练习2．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)⇌2M(g)ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(

)A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高D．工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量1、对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是（

）①高温

②低温

③低压

④高压

⑤催化剂

⑥加氨

⑦除氨A.②④⑤B.②④⑦C.①④⑤D.②③⑥BD3、合成氨所需的H2由炭和水蒸气反应制得，其中一步反应为CO＋H2O(g)CO2＋H2，ΔH<0，欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，可以采取的措施是（

）A.增大水蒸气的浓度B.升高温度C.增大CO浓度

D.增大压强4、在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为3：1：1，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为9：3：4，则此时N2的转化率为（

）A.10%B.20%C.15%D.30%AA(1)应选择的温度是________，理由是

。5、已知2SO2(g)＋O2(g)

2SO3(g)ΔH<0的实验数据如下表：温度不同压强下SO2的转化率(%)1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3450℃该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450℃反应物转化率较高温度不同压强下SO2的转化率(%)1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.6