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第二章 化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
学习目标
1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡原理，掌握合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的原因。(变化观念与平衡思想)
2.结合工业生产实际，了解化工条件的选择。(证据推理与模型认知)
3.通过工业合成氨适宜条件的选择与优化，认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用(科学态度与社会责任)
我们对化学反应的调控并不陌生，例如，为了灭火，可以采取隔离可燃物、隔绝空气或降低温度等措施；为了延长食物储存时间，可以将它们保存在冰箱中。
新课导入
新课讲授
合成氨的反应历程
N2 ＋3H2 2NH3
课内探究
1.合成氨条件的选择
（1）合成氨反应的特点
①可逆性：反应为可逆反应。
②体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。
③焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0。
④自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，
ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中氨的含量
增大
升高
增大
加快
增大
降低
增大
无影响
思考与讨论
（2）原理分析
思考与讨论
（3）数据分析
表中的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1:3)。 分析表中数据，结合合成氨反应的特点，讨论应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量。
思考与讨论
温度/℃ 氨的含量/100% 0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52 64.2 71 84.2 92.6
400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4
不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量(体积分数)
综合上述两个方面，分析增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致。
思考与讨论
请思考在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？
影响因素 化学反应速率 平衡混合物中氨的含量
温度
压强
催化剂
升高
降低
增大
减小
减小
增大
增大
加快
增大
减小
减小
减小
使用
增大
不变
减小
不使用
不变
（1）压强：合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 Mpa。
1.合成氨时压强越大越好，为何不采用比30 MPa更大的压强
提示：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这会加大生产投资，可能降低综合经济效益。
压强的选择——成本与效益的博弈
课内探究
2. 工业合成氨的适宜条件
氨的体积分数/%
0
压强/MPa
20 40 60 80 100
80
60
40
20
400℃时平衡体系内氨的体积分数
（2）温度：
一般采用的温度为400~500 ℃
2.合成氨采用低温时可提高转化率，但为何未采用更低的温度
温度的选择—快与少、慢与多的权衡
提示：温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长，不经济。升高温度，转化率降低，另外，合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500 ℃左右活性最大。
课内探究
氨的体积分数/%
0
温度/℃
200 300 400 500 600
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
10MPa下平衡体系内氨的体积分数
课内探究
（3）催化剂：
目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400~500℃进行的重要原因。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
课内探究
（4）浓度：
采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。此外，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔发生反应也是很不经济的，应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应。
3.合成氨工业采用迅速冷却法，使气态氨变为液氨后及时从混合物中分离出去的目的是什么
提示：使化学平衡向生成氨的方向移动。
归纳总结
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(10～30 MPa)
适宜温度，400～500 ℃
使用铁触媒做催化剂
N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去
课内探究
3.合成氨的生产流程
（1）生产流程
干燥
净化
压缩机
加压
10 MPa~30 MPa
热交换
冷却
WWWWWWW
N2+H2
N2+H2
N2+H2
N2+H2
N2+H2
NH3+N2+H2
NH3+N2+H2
液态NH3
铁触媒
400~500℃
（2）流程分析
①原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性。
②压缩机加压：增大压强。
③热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。
课内探究
④冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。
⑤循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。
课内探究
拓展视野
合成氨的发展
我国合成氨工业的发展是在20 世纪30 年代开始的，经过几十年的不懈奋斗和发展，我国已经拥有了许多不同流程、不同规模的合成氨工厂。我国目前拥有了一支能够进行合成氨生产的科研等方面的研究技术团队，让我国已成为世界上最大的合成氨生产国，产量约占世界总产量的1/3。
合成氨的应用
合成氨工业是关系我国国民经济的重要行业，是我国化肥工业的基础，也是传统煤化工的重要组成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡胶等；氨在冶金、机械加工、电子、造纸等行业用途广泛。
制尿素
制纯碱
制硝酸
制冷剂
拓展视野
课堂小结
合成氨反应的反应特点
合成氨的生产流程：结合工业
实际，理解氨的合成条件
合成氨的适宜条件
化学反应
的调控
原理分析
数据分析
压强
温度
浓度
多角度分析合成氨的条件
谢 谢

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