资源简介

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化学反应的方向、限度与速率
第二章
2.4化学反应条件的优化
——工业合成氨
章节脉络
合成氨反应的限度
合成氨生产的适宜条件
第二章
化学反应的方向、
限度与速率
2.2化学反应的限度
2.1化学反应的方向
2.3化学反应的速率
2.4化学反应条件的优化
——工业合成氨
合成氨反应的速率
化学反应条件的优化
——工业合成氨
核心素养目标
1. 宏观辨识与微观探析
从宏观视角分析工业合成氨的工艺流程，理解反应条件对产量和能耗的影响；从微观层面结合化学反应速率与平衡原理，阐释温度、压强、催化剂等条件对分子碰撞、活化能及平衡移动的作用机制，建立认知关联。
2. 证据推理与模型认知
通过分析合成氨反应的焓变、熵变及实验数据，推理最佳反应条件的选择依据；构建 综合决策模型，能运用该模型解释工业生产中压强、温度、催化剂的参数设定，评估不同工艺方案的可行性。
3. 科学探究与创新意识
针对合成氨工业中的实际问题，设计优化实验；结合绿色化学理念，提出提高原料利用率、降低碳排放的创新策略，培养工程实践与创新思维。
学习重难点
重点：
1. 掌握合成氨反应的化学原理，包括反应的热效应、化学平衡常数及反应限度，明确温度、压强、浓度等因素对反应速率和平衡移动的影响。
2. 理解工业合成氨中各生产环节的原理与操作要点，认识循环操作提高原料利用率的重要性。
难点：
1. 平衡移动原理与反应速率原理在合成氨条件优化中的矛盾协调，如高温利于反应速率但不利于平衡正向移动，需综合考量确定适宜温度。
2. 剖析工业合成氨复杂体系中多因素相互制约的关系，权衡选择最佳生产条件。
课前导入
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？
合成氨厂一角
合成氨反应的限度
PART 01
合成氨反应的限度
工业合成氨的反应为：N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)。
1. 已知在 298 K 时：
ΔH = -92.2 kJ·mol-1，ΔS = -198.2 J·K-1·mol-1。根据反应的焓变和熵变分析在 298 K 时合成氨反应能否正向自发进行。
2. 利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。
从化学反应限度角度分析：
综上所述，降低温度、增大压强、及时分离NH3，V(N2)：V(H2) = 1:3时的条件下，将有利于化学平衡向生成氨的方向移动，增加反应物的转化率。
缺点：但高压条件对设备提出了苛刻的要求，而反应温度的下降势必延长反应的时间，致使生产效率降低，失去工业意义。
平衡混合物中氨的含量与温度、压强的关系
合成氨反应的限度
影响限度的因素
(1) 温度：温度升高，反应向吸热方向移动；温度下降，反应向放热方向移动。
(2) 压强：增大压强，反应向气体物质的量减小的方向移动；减小压强，反应向气体物质的量增大的方向移动。
(3) 浓度：增大反应物浓度或减小生成物浓度，反应正向进行；减小反应物浓度或增大生成物浓度，反应逆向进行。
(4) 研究发现：温度、压强一定时，反应物V(N2)：V(H2) = 1:3时，平衡混合物中NH3 的含量最高。
合成氨反应的限度
合成氨反应
可逆性
体积变化
焓变
自发性
反应为可逆反应
正反应是气体体积减小的反应
焓变： H<0，熵变： S<0
常温（298K）下， H-T S<0，能自发进行
合成氨反应的限度
合成氨反应的速率
PART 02
合成氨反应的速率
在其他条件相同的情况下，有催化剂存在和无催化剂存在时的反应速率常数之比表明，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。
影响反应速率的因素
(1)温度：升高温度，反应速率加快；降低温度，反应速率减小。
(2)压强：增大压强，气体浓度增加，反应速率加快；减小压强，气体浓度降低，反应速率减小。
(3)浓度：研究表明，特定条件下，合成氨反应速率方程为
v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)（公式中的反应速率是正、逆反应速率的总结果）
N2、H2浓度越大，合成氨反应速率越快；NH3浓度越大，合成氨反应速率越小。
(4)催化剂：使用催化剂可以使合成氨反应速率提高上万亿倍。
合成氨反应的速率
v＝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？
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。
合成氨反应的速率
工业合成氨的催化历程
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。
合成氨反应的催化历程示意图
扩散
吸附
表面反应
表面反应
表面反应
表面反应
脱附
合成氨反应的速率
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。
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：
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。
合成氨反应的速率
合成氨生产的适宜条件
PART 03
合成氨生产的适宜条件
使NH3生产得快（速率分析） 外界 条件 压强 温度 催化剂 反应物浓度
使NH3生产得多（平衡分析） 外界 条件 压强 温度 催化剂 反应物浓度
高压
高温
使用
增大浓度
低温
高压
增大浓度
无影响
合成氨的生产流程
合成氨的整个工业生产包括造气、净化、合成氨三大部分。
造气　 原料气中的氮气来自空气，而氢气来自天然气、煤和炼油产品。以天然气为原料时，反应可简单表示为：
净化　 消除造气过程中夹带的杂质，防止催化剂中毒。
合成氨　 该部分包括终端产品氨的分离，氮气、氢气的循环使用，
利用反应产生的热预热合成气等。
合成氨生产的适宜条件
造气 净化 合成氨
主要流程：
合成氨的生产流程
合成氨生产的适宜条件
课堂小结
合成氯反应的特点
合成氨反应的速率
合成氨生产的适宜条件
合成氨反应的限度
从化学反应限度角度分析
影响反应速率的因素
工业合成氨的催化历程
影响限度的因素
合成氨的生产流程
外界条件
1. 对于可逆反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)(正反应为放热反应)，下列说法正确的是（ ）
A. 达到平衡后，加入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，N2的浓度比原平衡的小
B. 达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH3的产率
C. 达到平衡后，缩小容器体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的转化率
D. 加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，逆反应速率减小
C
随堂训练
2. 下图为工业合成氨的流程图，下列有关说法不正确的是（ ）
A. 步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒
B. 步骤②中“加压”既可以提高
原料的转化率，又可以
增大反应速率
C.步骤③④⑤均有利于提高原料的平衡转化率
D.液态NH3除可生产化肥外，还可作制冷剂
C
随堂训练
3. 合成氨厂所需 H2 可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为
CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0。欲提高 CO 的利用率，可采用的方法是(　　)
①降低温度　 ②增大压强　 ③使用催化剂　
④增大CO的浓度　 ⑤增大水蒸气的浓度
A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．⑤
C
随堂训练
4. 下列有关合成氨工业的说法中，正确的是(　　)
A. 从合成塔出来的混合气体中，其中NH3只占15%，所以合成
氨厂的产率都很低
B. 由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体
来说合成氨的产率很高
C. 合成氨工业的反应温度控制在700 K左右，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越大，产率越高，无需考虑设备、条件
B
随堂训练
5. 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
随堂训练
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