资源简介

(共19张PPT)
2.4 化学反应条件的优化
——工业合成氨
学习目标
1.通过小组交流研讨，结合工业合成氨反应特点及工业生产中的综合效益 ，能运用温度、浓度、压强和催化剂去分析选择及优化合成氨工业反应条件。（变化观念与平衡思想）
2.通过对工业合成氨反应条件的选择和优化过程的研讨，能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。（科学探究与创新意识、科学态度与社会责任）
课标要求
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。
合成氨
工业合成氨：N2(g) + 3 H2(g) 2NH3(g) △H < 0
交流研讨1
根据工业合成氨反应特点，在理论上如何来选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡时氨气的含量？
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
提高平衡转化率
增大反应物浓度，降低氨浓度
增大某一反应物浓度，降低氨浓度
升温
降温
增大
增大
使用
不影响
N2(g) + 3 H2(g) 2NH3(g) △H < 0
资料1.合成氨反应速率方程为：υ=kc(N2) · c1.5(H2) · c-1(NH3)
压强
增大压强既可提高反应速率，又可提高平衡时氨的百分含量，那么在工业合成氨中压强是否越大越好？
压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，压缩H2、N2所需动力也越大，这会加大生产成本。
图1 400℃下平衡时NH3的体积分数
随压强的变化示意图
选择生产条件的原则：既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的设备、耗能。
低压（10 MPa）、中压（20-30 MPa）、高压（85-100 MPa）
交流研讨2
催化剂
催化剂对化学反应限度没有影响，但可以加快反应速率，那在工业合成氨中要不要使用催化剂？
弗里茨·哈伯：锇或用铀—碳化铀作催化剂
锇：效果好，但储量极少且锇蒸汽有剧毒。铀：价格昂贵 ，性质过于敏感
卡尔 ·博施：寻找廉价、安全、稳定的催化剂。
资料2：即使在高温、高压条件下，N2、H2合成氨的反应仍进行地十分缓慢
经过超过2500种配方的20000多次实验，选出合适的催化剂：铁触媒（以铁为主体的多成分催化剂）。
交流研讨3
图2：催化剂不同温度下的催化能力
催化剂铁触媒在500 ℃左右时的活性最大
混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化
催化剂
资料3：①铁触媒发挥作用需要维持在活性温度范围内，②原料气中通常会混有CO、CO2等杂质气体，而杂质气体会吸附或沉积在铁触媒上，使催化剂活性降低或丧失，该过程称催化剂中毒。
温度
温度升高，反应速率加快但反应限度下降，那工业合成氨的温度应该是多少？
催化剂铁触媒在500 ℃左右时的活性最大，所以工业生产温度一般为400~500℃
图3 10MPa下平衡时氨的体积分数
随温度的变化示意图
工业生产条件温度优化的原则：综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，主要考虑催化剂的活性温度。
浓度
已知增大反应物浓度，减少产物氨的浓度既可以加快反应速率，又可以提高平衡时氨的含量，那实际生产中我们是如何增加N2和H2的浓度，减少NH3浓度？
将未反应完的N2和H2循环利用，并及时补充N2和H2 ，将NH3液化分离
资料1.合成氨反应速率方程为：υ=kc(N2) · c1.5(H2) · c-1(NH3)
投料比
图4：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线
观察图4，工业合成氨理论上N2和H2的投料比是多少时，可以增加氨的产量？
从化学平衡的角度分析，在N2和H2的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大
交流研讨4
投料比
实际生产中采用n(N2):n(H2) = 1：2.8，适当提高了N2比例，为什么？
资料4：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n(N2):n(H2)=1:2.8。
投料比
资料5：原料气的来源：① N2：分离液态空气法，将空气液化，蒸发分离出氮气。（优点：便宜、易得、纯净、规模大、产量高）
② H2：(a) 天然气制氢气： （b）煤气化获得氢气：煤在高温下和水反应生成CO和H2。
实际生产中采用n(N2):n(H2) = 1：2.8，适当提高了N2比例，为什么？
资料4：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n(N2):n(H2)=1:2.8。
合成氨的生产流程
造气→净化→合成氨
交流研讨5
请阅读并观察分析教材P88页合成氨的生产流程图，小组研讨概括总结出工业合成氨的一般生产步骤。
1.下列有关合成氨条件选择的说法正确的是
A.适当增加氮气的浓度可提高氢气的平衡转化率
B.温度越高，速率越快，生产效益越好
C.使用铁触媒能提高合成氨反应的平衡转化率
D.将氨及时液化分离不利于提高氨的产率
√
课堂反馈 1
2.合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，N2(g)与H2(g)反应生成1 mol NH3(g)放出46 kJ的热量。该反应通常需要在高温(400～500 ℃)、高压(10～30 MPa)条件下进行，反应过程通常采用铁触媒作为催化剂。下列说法不正确的是
A.合成氨反应中采用400～500 ℃高温主要是因为此时催化剂的活性最大
B.合成氨反应中采用高压的目的是为了促进平衡向右移动
C.合成氨反应中采用铁触媒作为催化剂可以加快反应速度
D.合成氨反应中将0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)置于密闭容器中充分反应其放出的热量为46 kJ
√
课堂反馈 2
工业生产中化学反应条件选择优化的一般思路和方法
化学反应
原理分析
反应速率
反应限度
经济效益
设备、耗能
循环工艺
绿色环保
影响因素
调控反应
最佳效果
多、快、好、省
(1)应选择的温度是________，理由是 。
温度 不同压强下SO2的转化率(%) 1×105Pa 5×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa
450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
450 ℃
在此温度下，催化剂活性最高。温度较低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长；温度较高，SO2的转化率会降低
1.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＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500 ℃时催化效果最好)下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。
温度 不同压强下SO2的转化率(%) 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 M Pa 10 MPa
450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(2)应采用的压强是________，理由是：
(3) 生产中通入过量空气的目的是_____________________________。
(4) 尾气中SO2必须回收，原因是：
0.1 MPa
常压下SO2的转化率已经很高(97.5%),若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要动力更大，对设备的要求更高
增大O2浓度、提高SO2的转化率
循环利用，提高原料的利用率；
防止污染环境
2.如图为500 ℃、60.0 MPa条件下，平衡时NH3的体积分数与原料气投料比的关系。
(1)若投料比为4时，NH3的体积分数可能为图中的____点。
P
(2)若投料比为3时，NH3的最大体积分数为42%，计算H2的平衡体积分数：（写出计算过程)。
NH3的最大体积分数即为平衡体积分数，NH3体积分数为42%，H2、N2的体积分数之和是58%，则H2的平衡体积分数： ×3＝43.5%第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
【学习目标】
① 通过小组交流研讨，结合工业合成氨反应特点及工业生产中的综合效益 ，能运用温度、浓度、压强和催化剂去分析选择及优化合成氨工业反应条件。
② 通过对工业合成氨反应条件的选择和优化过程的研讨，能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。
【学习目标】
通过对工业合成氨反应条件的选择和优化过程的研讨，能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。
【评价任务】
评价任务1：完成交流研讨1的表格，实现学习目标1；
评价任务2：交流讨论出氨的工业生产条件以及完成即时训练1，实现学习目标2。
【学习过程】
导语：氨是是生产氮肥的重要原料，氨的产量直接影响粮食产量。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。合成氨的化学反应N2(g) + 3 H2(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？合成氨厂为何需要庞大而复杂的生产设备以及特殊的生产条件？
学习任务一：合成氨反应的限度与速率（指向学习目标1）
交流研讨1：能否根据你前面两节所学内容，结合工业合成氨反应的特点，在理论上如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的百分含量？完成下列表格【资料1：合成氨反应速率方程为：υ=kc(N2) · c1.5(H2) · c-1(NH3)】
通过以上分析，增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的百分含量所采取措施是否一致？哪些条件一致？哪些条件不同？
学习任务二：合成氨生产的适宜条件（指向学习目标2）
（一）压强
交流研讨2：增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在工业合成氨中压强是否越大越好？为什么？写出理由（提示：选择生产条件的原则：既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的设备、耗能。）
图1 400℃下平衡时NH3的体积分数随压强的变化示意图
结论1：目前工业合成氨的压强大致分为低压（10 MPa），中压（20-30 MPa）和高压（85-100 MPa）,我国的合成氨厂一般采用的压强为10~30 MPa。
（二）催化剂
交流研讨3：催化剂对化学反应限度没有影响，但可以加快反应速率，那在工业合成氨中要不要使用催化剂？为什么？【资料2：即使在高温、高压条件下，N2、H2合成氨的反应仍进行地十分缓慢】
结论2：目前工业合成氨常用的催化剂是 。
【资料3：①催化剂发挥作用需要维持在活性温度范围内，②原料气中通常会混有CO、CO2等杂质气体，而杂质气体会吸附或沉积在铁触媒上，使催化剂活性降低或丧失，该过程称 。】
图2：催化剂在不同温度下的催化能力
①根据图2分析可知，催化剂在温度为 时的活性最大;
②原料气中混有的杂质气体使催化剂中毒，工业上如何防止催化剂中毒： 。
（三）温度
工业合成氨的温度升高，反应速率加快但平衡时氨的百分含量下降，那温度应该选择多少呢？【资料4：催化剂对反应速率的影响程度远大于温度。】（提示：选择生产条件（温度）的原则：综合考虑影响化学反应速率和限度的因素，一般主要考虑催化剂的活性温度。）
图3 10MPa下平衡时氨的体积分数随温度的变化示意图
结论3：催化剂铁触媒在500 ℃左右时的活性最大，所以工业生产温度一般为 。
交流研讨4：为什么生产温度不采用低于400℃的温度？
（四）浓度
交流研讨5：已知增大反应物浓度，移走产物氨既可以加快反应速率，又可以提高平衡转化率。那实际生产中我们除了要增大N2和H2的浓度，投入N2和H2比例又应该为多少？通过下图4分析。
图4：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线
由图4可知，从化学平衡的角度分析，在N2和H2的物质的量比为 时，平衡转化率最大。
问：经调查发现实际生产中，N2和H2的物质的量之比为1：2.8，适当提高了N2的比例，为什么？根据以下两则资料分析总结原因。
【资料5：工业合成氨的催化历程示意图，课本第86页】
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：
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n(N2):n(H2)=1:2.8。
【资料6：原料气的来源：① N2：分离液态空气法，将空气液化，蒸发分离出氮气。②H2：（a）天然气制氢气（b）煤气化获得氢气。制氮气的方法比制氢气的方法更便宜，方便。】
结论4：根据以上分析总结出浓度的条件选择： ，
。
实际生产中，为了减小氨气浓度，及时移出氨气，应如何操作 。
（五）合成氨的生产流程
请将上述工业合成氨生产条件（压强、温度、浓度、催化剂）进行总结。
交流研讨6根据上述分析，我们设计了如下图所示的简易生产流程图。
小组交流研讨，完成以下问题。
（1）根据工业合成氨流程图总结工业生产步骤。
（2）你认为这个工业生产流程设计有什么优势？
练习1、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＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500 ℃时催化效果最好)下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(1)在实际生产中，选定的温度为 ，原因是___________________________________________________________。
(2)实际生产中，采用的压强 ，原因是_____________________________________________________________________________________________________。
(3)在实际生产中，通入过量的空气，原因是__________________________________________________________________________________________________________。
(4)尾气中SO2必须回收，原因是
___________________________________________________________。
练习2、下列有关合成氨条件选择的说法正确的是
A.适当增加氢气的浓度可提高氮气的平衡转化率
B.温度越高，速率越快，生产效益越好
C.使用铁触媒能提高合成氨反应的平衡转化率
D.将氨及时液化分离不利于提高氨的产率
练习3、合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，N2(g)与H2(g)反应生成1 mol NH3(g)放出46 kJ的热量。该反应通常需要在高温(400～500 ℃)、高压(10～30 MPa)条件下进行，反应过程通常采用铁触媒作为催化剂。下列说法不正确的是
A.合成氨中采用400～500 ℃，主要是因为此时催化剂的活性最大
B.合成氨反应中采用高压的目的主要是促进平衡向右移动
C.合成氨反应中采用铁触媒作为催化剂可以加快反应速度
D.合成氨反应中将0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)置于密闭容器中充分反应其放出的热量为46 kJ
任务三：本节小结
经过本节课的学习，你认为在工业生产条件的选择和优化中，应该考虑哪些方面的内容？

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