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第2章 化学反应的方向、限度与速率
第1课时：工业合成氨
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
化学反应原理
1．体会从限度的角度认识和调控化学反应的重要性。2．了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。
壹
3．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。
贰
本节重点
壹
从限度的角度认识和调控化学反应的重要性
了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用
本节难点
贰
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。
联想
·
质疑
集天使与魔鬼与一身的科学家
在化学发展史上，有一位化学家，虽然他早已长眠地下，但是他却给世人留下关于他功过是非的激烈争论。他就是20世纪初闻名世界的德国物理化学家、合成氨的发明者弗里茨·哈伯。赞扬哈伯的人说：他是天使，为人类带来丰收和喜悦，是用空气制造面包的圣人。诅咒他的人则说：他是魔鬼，给人类带来灾难、痛苦和死亡。
科学
·
视野
弗里茨·哈伯
弗里茨·哈伯（Fritz Haber，1868年12月9日～1934年1月29日），德国化学家，出生在德国西里西亚布雷斯劳（现为波兰的弗罗茨瓦夫）的一个犹太人家庭。 1909年，成为第一个从空气中制造出氨的科学家，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展，因此获得1918年瑞典科学院诺贝尔化学奖。一战中，哈伯担任化学兵工厂厂长时负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用于战争之中，造成近百万人伤亡，遭到了美、英、法、中等国科学家们的谴责。
弗里茨·哈伯合成氨实验装置
科学
·
视野
集天使与魔鬼与一身的科学家
自1784 年氨被发现以来，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。经过研究人员的不断努力，几十年后终于建造了日产氨1 000 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呢？
联想
·
质疑
合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。要实现合成氨的工业化生产，必须从反应的限度和反应速率两个方面选择合成氨的反应条件。
1、影响化学反应速率的因素有哪些？
2、影响化学反应限度的因素有哪些？
温度、浓度、压强、催化剂等
温度、浓度、压强等
温故
·
知新
一、合成氨反应的限度
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
联想
·
质疑
1、已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。根据反应的焓变和熵变分析在298K时合成氨反应能否正向自发进行？
常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。
2、利用化学平衡移动的知识分析什么条件下有利于氨的合成。
降低温度、增大压强
进一步研究发现，在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
一、合成氨反应的限度
联想
·
质疑
在不同温度、压强下，合成氨反应达到平衡时，平衡混合物中氨含量的测定结果。
下表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)。
温度/℃ 氨的含量/%
0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.1 13.8 23.1 31.4
压强越大，NH3%越大。
温度越低，NH3%越大。
实验数据表明应采取的措施与理论一致。
一、合成氨反应的限度
联想
·
质疑
二、合成氨反应的速率
交流
·
研讨
1、可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？
2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的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)
根据该关系式分析：式中各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？
升高反应温度
增大反应体系压强
使用高效催化剂
在反应过程中，随着氨的浓度增大，反应速率会逐渐降低，因此为了保持足够高的反应速率，应在反应达到一定转化率时将氨从混合气中分离出去。
二、合成氨反应的速率
交流
·
研讨
3、根据表2-4-1 所给数据分析催化剂对合成氨反应的速率的影响。
条 件 Ea /(kJ·mol-1) k( 催)/k ( 无)
无催化剂 335 3.4×1012(700 K)
使用铁催化剂 167
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。
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。
根据对合成氨反应的速率及催化反应历程的研究，得出以下结论：
1、第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制总反应速率的关键步骤。为保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心并提高吸附速率，应适当提高氮气的比例，即不是达到最大平衡转化率要求的n(N2)∶n(H2) = 1∶3，而是n(N2)∶n(H2) = 1∶2.8。
2、为了提高氨的脱附速率，以空出活性中心供继续合成氨使用，必须降低反应后混合气体中氨的比例，适时地将氨从反应后的混合气体中分离出来。
三、合成氨生产的适宜条件
交流
·
研讨
1、根据合成氨反应的特点，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？将有关建议填入下表中。
降低温度
增大压强
催化剂
及时分离出氨气
适当升高温度
增大反应物浓度
及时分离出氨气
2、尝试为合成氨生产选择适宜的条件。
3、在确定合成氨生产的适宜条件的过程中，你遇到了哪些问题，又是怎样解决的？
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？
三、合成氨生产的适宜条件
交流
·
研讨
铁触媒
合成氨生产一般选择铁做催化剂；反应温度控制在700 K 左右；根据反应器可使用钢材的质量及综合指标来选择压强，大致分为低压（1×107 Pa）、中压（2×107～3×107 Pa）和高压（8.5×107～1×108 Pa）三种类型；通常采用氮气与氢气物质的量之比为1∶2.8 的投料比。
知识
·
拓展
明确
目的
可行性
确定
反应
原理分析
实验摸索
找条件
设备可行
成本核算
如何为一个化学反应选择适宜的生产条件？
影响因素
调控反应
化学平衡
反应速率
最佳效果
化学反应的调控
(1)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。 (　　)
(2)合成氨反应中,压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。 (　　)
(3)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。 (　　)
(4)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 ( )
(5)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。 ( )
(6)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行。( )
练习1、判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
×
×
√
×
×
×
练习3、有关合成氨工业的说法中,正确的是(　　)
A、增大H2的浓度,可提高H2的转化率
B、由于氨易液化,N2、H2在实际生产中会循环使用,所以总体来说氨的产率很高
C、合成氨工业的反应温度控制在400~500 ℃,目的是使化学平衡向正反应方向移动
D、合成氨厂采用的压强是10 MPa~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大
B
练习4、有平衡体系:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0。为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应采取的正确措施是(　　)
A、高温，高压 B、适宜温度，高压，催化剂
C、低温，低压 D、高温，高压，催化剂
B
练习5、工业上合成氨一般采用400~500 ℃的温度，其原因是 (　　)
①适当提高氨的合成速率　②提高H2的转化率　③提高氨的产率　④催化剂在500 ℃左右活性最大
A、只有①　 B、只有①② C、②③④ D、只有①④
D
练习6、在一定条件下，可逆反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)(正反应是放热反应)达到平衡,当单独改变下列条件后,有关叙述错误的是(　　)
A、加催化剂,v(正)、v(逆)都发生变化且变化的倍数相等
B、加压,v(正)、v(逆)都增大，且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数
C、降温,v(正)、v(逆)都减小，且v(正)减小的倍数小于v(逆)减小的倍数
D、等容条件下加入氩气，v(正)、v(逆)都增大，且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数
D　
练习7、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
D　
　　　　　　 1×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa
450 ℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7%
550 ℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3%
压强　　　
温度
转化率
练习8、 在硫酸工业中,通过下列反应使SO2氧化成SO3:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH=-198 kJ·mol-1。(已知催化剂是V2O5,在400~500 ℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%):
1、根据化学理论分析,为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，应选择的条件是什么
2、在实际生产中,选定400~500 ℃作为操作温度,其原因是什么
提示:低温、高压。
提示:兼顾速率和平衡,且在此温度下催化剂的活性最高。
　　　　　　 1×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa
450 ℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7%
550 ℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3%
压强　　　
温度
转化率
3、根据上表中的数据分析,制取SO3时为什么不采用高压
4、在生产中,通入过量空气的目的是什么
5、尾气中的SO2必须回收的目的是什么
提示:在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%),若采用高压,平衡能向右移动,但效果并不明显,且采用高压时会增大设备的成本,得不偿失。
提示:增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率。
提示:防止污染环境;循环利用,提高原料的利用率。

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