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化学反应的调控
第二章 化学反应速率与化学平衡
化学反应的调控
学习目标
1.了解合成氨的发展历程，知道合成氨反应的特点及反应条件对反应速率和化学平衡的影响。
2.理解合成氨反应条件选择的依据，掌握合成氨的适宜条件，包括温度、压强、催化剂和浓度等。
3.熟悉合成氨生产的工艺流程，包括原料气的制备、净化除杂、压缩、合成、冷却分离和循环压缩等环节。
4.掌握化工生产中调控反应的一般思路，包括考虑反应的可行性、化学平衡、反应速率、设备可行性和成本核算等方面。
合成氨的发展历程
20世纪
以前
生物固氮
H+，e-
ADP
固氮
酶
NH3
ATP
1898年
1909年
德国A.弗兰克等人发现氮能与碳化钙固定而生成氰氨化钙，进一步与过热水蒸气反应即可获得氨
德国化学家Haber用锇催化剂将氮气与氢气在17.5～20MPa和500～600℃下直接合成
1912年
1985年
1990年
Furuya和Yoshiba 考察了26 种无机催化剂在气体 扩散电极上 NRR 产氨的性能
2007年
Gerhard Ertl对人工固氮技术的原理提供了详细的解释
Haber-Bosch法
铁基
催化剂
N2+H2
NH3
Pickett和Talarmin在N2饱和的四氢呋喃溶液中用汞阴极于-2.6V下恒电势电解，首次利用电化学方法还原氮气
生产的效率问题
产率问题
反应进行的方向
化学反应的速率
化学平衡(限度)
生产的可行性问题
根据所学内容，若要把一个化学反应投入生产，针对化学反应而言，需要考虑：
思考与讨论
合成氨反应条件与原理分析
1.判断化学反应进行的方向
N2＋O2 2NO
放电或高温
H＝＋180.5 kJ/mol
S＝＋247.7 J/(mol k)
N2＋3H2 2NH3
高温、高压
催化剂
H＝－92.2 kJ/mol
S＝－198.2 J/(mol k)
高温下反应能自发进行
低温下反应能自发进行
合成氨反应条件与原理分析
1.判断化学反应进行的方向
N2＋3H2 2NH3
催化剂
高温、高压
N2＋O2 2NO
放电或高温
化学反应
反应温度
平衡常数
25 ℃
25 ℃
2000 ℃
4.1×106
5×10-31
0.1
N2＋O2 2NO
放电或高温
提示：K越大反应进行的越完全。
合成氨反应条件与原理分析
从理论出发，科学家在实验室模拟该实验，研究发现：室温下将氮气、氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气。
反应速率过慢且产氨率较低
如何改进上述所遇的问题呢
N2＋3H2 2NH3
高温、高压
催化剂
H＝－92.2 kJ/mol
合成氨反应条件与原理分析
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
加入铁触媒
降低
无影响
增大
增大
合成氨反应条件与原理分析
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。
数据分析：初始时氮气和氢气的体积比是1∶ 3 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) 温度 压强 氨的含量/% 0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
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 9.10 13.8 23.1 31.4
合成氨反应条件与原理分析
理论分析
升高温度、增大压强可以使合成氨的反应速率增大，化学平衡向生成氨的方向移动。
降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，提高平衡混合物中氨的含量。
降低温度会导致反应速率减小
若温度太高，催化剂活性会减弱
压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高
合成氨反应条件与原理分析
那么，在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢
能耗
原料
环境
设备
成本
合成氨反应条件与原理分析
压强
压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大
大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益
原理分析
实验数据
表明
合成氨时压强越大越好
20%~40%
合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa
合成氨反应条件与原理分析
温度
实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃
平衡移动原理
温度降低则反应速率减小，达到平衡所需时间变长，工业生产中很不经济
采用低温
提高平衡转化率
10%~30%
合成氨反应条件与原理分析
浓度
NH3的体积分数/%
0
1
2
3
4
5
6
10
20
30
40
50
60
氢气和氮气的体积比
初始时氮气和氢气的体积比是1∶ 3
促使化学平衡正向移动，提高氨的产量
NH3的体积分数最大
从原料成本来看，氢气的价格要比氮气的价格高，思考：如何提高氨气的产量
增大
氮气浓度
液化氨气及时从混合物中分离出去
归纳总结：合成氨的适宜条件
温度：400~500℃
压强：10 MPa~ 30 MPa
催化剂：铁触媒
浓度：增大氮气浓度、液化氨气
(反应速率较快、催化剂活性较大)
(反应速率较快、平衡正向移动)
(反应速率较快，缩短到达平衡时间)
N2＋3H2 2NH3
催化剂
高温、高压
(反应速率较快、提高氢气的转化率)
合成氨生产的工艺流程
原料气的制备
氮气
——生产成本低
氢气
——生产成本高
液化
空气
氮气
N2
减压蒸发
工业上用水蒸气与焦炭在高温下反应，吸收CO2后制得
C＋H2O(g) CO＋H2
高温
CO＋H2O(g) CO2＋H2
高温
催化剂
合成氨生产的工艺流程
制气→净化除杂→压缩→合成→冷却分离→循环压缩
物质、能量交换
液态NH3
干燥
净化
N2+H2
N2+H2
防止催化剂中毒
增加原料利用率
N2+H2经过循环反应，可全部转化为NH3
压缩机加压
10MPa~30MPa
N2+H2
热交换
N2+H2
铁触媒
400~500℃
N2+H2
NH3+N2+H2
NH3+N2+H2
冷却
更加节能、降低成本
中科院大连化学物理研究所研究团队研制合成了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350 ℃、1 MPa
2016年
合成氨的发展历程
随堂训练
1.合成氨对人类生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮，其合成原理为： 。下列说法不符合工业合成氨生产实际的是
A．增大压强，可增加单位体积内的活化分子数目，则速率增大
B．实际生产温度主要由催化剂决定
C．在实际生产中温度越高，化学反应速率一定越快
D．NH3液化分离有利于合成氨
C
ΔH＝－92.4 kJ/mol
N2＋3H2 2NH3
催化剂
高温、高压
随堂训练
2.1913年，德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。如图所示为哈伯法的流程图，下列说法错误的是
A．为保持足够高的原料转化率，应在反应达到一定时间时将氨从混合气中分离出去
B．操作①中“净化”可以防止催化剂中毒
C．操作③中“500℃”是催化剂催化活性的最佳温度
D．操作②④⑤均既可以提高原料的转化率，又可以加快反应速率
D
随堂训练
3.下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　)
A.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应,在低温或常温时可自发进行
B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C.合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最高
D.N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
A
4.某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g) M(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廉价易得，工业上一般采用加入过量的B的方式来提高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.工业生产中使用催化剂可提高M的日产量
D

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