资源简介

(共44张PPT)
第二章
第三节
化学平衡（4）
高二年级
化学
氮气转化为氨气的价值
N2
NH3
80%
20%
氮气转化为氨气的价值
一、合成氨工业的产生
??从物质到反应
1.
氮的固定
把空气中游离态的氮转变为氮的化合物的方法，叫做氮的固定。
包括：
①
自然固氮：雷雨天产生
NO
气体、豆科植物固氮。
②
人工固氮：合成氨等。
[法]勒夏特列
实验中发生爆炸，放弃了研究。
“我让合成氨的发现从我手边溜走了，这是我科研生涯中最大的疏忽。”
理论上证实氮气和氢气可以直接化合生成氨。
[德]能斯特
由于能斯特在物理化学领域的权威性，人工合成氨的研究陷入低潮。
计算时误用了一个错误的热力学数据，认为合成氨不能进行。
[德]奥斯特瓦尔德
合成氨反应是可逆的
增压会合成氨
提高温度会使氨分解
温度过低会减慢反应速率
催化剂会对反应产生重要影响
合成氨的关键在于实现温度、压强和催化剂之间的平衡。
N2(g)
+
3H2(g)
2NH3(g)
ΔH
=
-
92.4
kJ/mol
2.
合成氨原理
思考：此反应有什么特点？
特点：
可逆反应
正反应为放热反应
正反应是气体体积缩小的反应
任务一：根据合成氨反应的特点，应如何选择外界条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？请填入下表。
对合成氨反应的影响
外界条件
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
增加反应物浓度
升高温度
增大压强
使用正催化剂
增加反应物浓度
降低温度
增大压强
无影响
对合成氨反应的影响
外界条件
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
增加反应物浓度
升高温度
增大压强
使用正催化剂
增加反应物浓度
降低温度
增大压强
无影响
一致
矛盾
一致
可统一
分析增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中的氨的含量所采取的措施是否一致？
二、合成氨工业的条件选择
??从实验室到工业生产
要使氨生成得更快
（即提高单位时间内氨的产量）
——化学反应速率问题
要使氨生成得更多
（即提高混合物内氨的含量）
——化学平衡移动问题
合成氨条件选择原则
任务二：
根据合成氨反应的相关数据及化学反应原理，选择合成氨的条件。
温度/℃
氨的百分含量/%
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
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）
压强/MPa
不同温度下平衡时氨的百分含量随压强的变化示意图
400
℃
500
℃
600
℃
200
℃
300
℃
氨的含量
/%
压强/MPa
400
℃下平衡时氨的百分含量随压强的变化示意图
400
℃
工业上采用的压强为10～30
MPa。
氨的含量/%
2.温度
哈伯最初进行的试验表明，合成氨的温度必须在1
000
℃以上，才能达到工业生产所要求的反应速率。结合下表分析，你认为是否可行？
温度
25
℃
350
℃
400
℃
450
℃
600
℃
700
℃
K
4×106
1.847
0.507
0.152
0.009
2.6×10－3
温度/℃
不同压强下平衡时氨的百分含量随温度的变化示意图
2.温度
氨的含量/%
氨的含量/%
温度/℃
10
MPa下平衡时氨的百分含量随温度的变化示意图
工业上采用的温度为400～500
℃。
3.催化剂
到达平衡时间
平衡时氨气的含量
平衡时氮气的含量
平衡时氢气的含量
不加催化剂
1年
26.10%
18.50%
55.50%
外加催化剂
10分钟
26.11%
18.49%
55.60%
合成氨工业中普遍使用的主要是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。500℃时活性最大。
3.催化剂
基元反应:
xFe
+
1/2
N2
→
FexN
（1）第一阶段
FexN
+
1/2
H2
→
FexNH
（2）
FexNH
+
1/2
H2
→
FexNH2（3）
FexNH2
+
1/2
H2
→
FexNH3
（4）
Fex
NH3
→
x
Fe
+
NH3
（5）
合成氨反应在铁催化剂作用下通过下述几步进行：
资料卡片
N2(g)
+
3H2(g)
2NH3(g)
铁触媒
第二阶段
有催化剂
无催化剂
230～930
kJ/mol
E均
E1
1/2
N2
+
3/2
H2
NH3
E2
126
kJ/mol～167kJ/mol
12.6
kJ/mol
合成氨反应活化能示意图
3.催化剂
将氨气液化后及时分离出来，所得原料气（过量
N2、H2）循环使用，并及时补充
N2、H2。
4.浓度
[德]弗里茨·哈伯
合成氨需要在高压条件，并不断分离出氨，促进反应向合成氨方向进行，完成了合成氨的基础开发工作。
1904年
1
020
℃，0.1
MPa
以铁作催化剂
获得氨的浓度在
0.005%-0.012%之间
1908年
17.5～20
MPa和500～600℃
锇作催化剂
得到6％的氨
哈伯合成氨实验所用的装置
[德]卡尔·博施
博施实现了合成氨的工业化，所以，这种合成氨的工业方法被称为“哈伯一博施法”。
测试了2
500种不同的催化剂，进行了6
500次试验，终于研制出铁基催化剂，设计合成氨装置。
原料气的制备
净化
压缩
(防止催化剂中毒)
合成
分离
液氨
N2、H2
合成氨生产流程
三、合成氨工业的优化
??从工业生产到技术改进
技术改进紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期,
改善经济性”的基本目标,
进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。
问题1：工业合成氨技术改进的方向是什么？
1:1
1:2
1:3
1:4
1:5
1:6
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
NH3%
n(N2)/n(H2)
思考：观察下图，寻找合适的投料比。
N2与H2的投料比为1:3
实际N2与H2的投料比为1:2.8
问题2：如何提高反应物的平衡转化率？
问题3：如何加快合成氨的反应速率？
具有高的催化活性，但太稀少，550
℃以上，失去活性。
有较高的催化活性。
可在低温
、低压下操作,稳定性好,
但稀有和昂贵,目前工业生产使用不多。
有一定的催化活性。
价格低廉，较稳定，500
℃左右具有较好的催化活性。
钯
铀
钌
锇
铁
催化剂
思考：人工固氮如此困难，试从氮气分子的结构分析其本质原因是什么？
N≡N
四、合成氨工业的未来
??从技术改进到原理探微
化学键
Cl－Cl
H－H
N≡N
E/(kJ/mol)
243
436
945.8
[德]格哈德·埃特尔
埃特尔发现了原有方法中化学反应最慢的步骤，这一突破有利于更有效地计算和控制人工固氮技术。
在表面化学作开创性研究，揭示哈伯-博施法制氨气的机理。
2016年，中国科学院大连化学物理研究所研究团队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，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破。
卢嘉锡
从结构化学角度出发，分析了氮分子的异常惰性，以及加强氮分子络合活化的结构问题，提出固氮酶活性中心的结构模型。
指导模拟生物固氮研究，为我国跻身世界前列做出了重要贡献。
问题：探究合成氨的逆反应
电子工业上经常通过氨的分解来制取纯净的氢气，用于仪器元件的烧氢还原。请根据下图设计该反应的合理条件。
温度(℃)
常压下不同温度时氨的分解率
氨的分解率（%）
问题：探究合成氨的逆反应
温度(℃)
常压下不同温度时氨的分解率
氨的分解率（%）
外界条件
温度
压强（浓度）
催化剂
设计
600
℃
常压
铁触媒
练习
工业合成氨技术反应原理为
（1）T
℃
时，在有催化剂、体积为1.0
L的恒容密闭容器中充入
3
mol
H2、1
mol
N2，10
min时反应达到平衡，测得c(NH3)
＝1.2
mol/L。
①
前10
min的平均反应速率
v(H2)＝
mol/(L·min
)。
②
化学平衡常数K＝
。
N2(g)
+
3H2(g)
2NH3(g)
ΔH
=
-
92.4
kJ/mol
起始浓度
/
mol/L
10min末平衡浓度/
mol/L
1
3
0
1.2
v(H2)
0.18
mol/(L·min)
＝
0.4
1.2
0.6
1.8
1.2
浓度变化
Δc
/
mol/L
K
＝
＝
1.22
0.4×1.23
25
12
N2(g)
+
3H2(g)
2NH3(g)
（2）
T
℃时，在有催化剂的恒容密闭容器中充入N2和H2。右图为不同投料比[n(H2)/n(N2)]时某反应物X的平衡转化率变化曲线。
①
反应物X是
（填“N2”或“H2”）。
②
判断依据是
。
N2
增大H2的浓度可以提高N2的转化率，但不能提高自身转化率。
n(H2)/n(N2)
X的平衡转化率/%
（3）在其他条件相同时，右图为分别测定不同压强、不同温度下，N2的平衡转化率。
L表示______，其中X1______
X2（填“＞”或“＜”）。
压强
＜
N2平衡转化率/%
（4）目前科学家利用生物燃料电池原理（电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子），研究室温下合成氨并取得初步成果，示意图如下：
相比传统工业合成氨，该方法的优点有_______。
条件温和、生成氨的同时释放电能。
[德]弗里茨·哈伯
奠定合成氨理论基础，获1918年诺贝尔化学奖
开发合成氨采用高压方法，获1931年诺贝尔化学奖
[德]卡尔·博施
铁催化剂表面活性研究成果，获2007年诺贝尔化学奖
[德]格哈德·埃特尔
理论上可行
实验室中实现
实现大规模
工业生产
反应机理
微观解释
氨的组成为
氮和氢
氨的合成
高温高压
哈伯（德国）
锇催化制氨，得6%氨
卡尔·博施（德）
实现大规模工业生产
格哈德·埃特尔
反应机制
微观解释
1784年
1901年
1909年
1912年
2007年
未来
研究原理
指导实践
反应
物质
原理
化学反应
综合实际
进行评价
化学
实际问题
课后小结
条件控制
化学反应速率
化学平衡
物质组成、性质和结构
内因
外因
查阅资料，自主学习制取硫酸的工业流程，说明哪些方面涉及到化学反应速率及化学平衡问题，并提出解决方案。
课后作业高中化学人教版选修四
2.3化学平衡（4）学案
【学习目标】
1．能够运用化学反应速率影响因素和化学平衡移动规律，分析合成氨等反应的工业生产最佳条件。
2．认识对化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
3．体会选择化工生产适宜条件时需要综合考虑多种因素。
【课前预习任务】
1．复习氨气的结构、物理性质、化学性质和用途及氮的固定。
2．复习影响化学反应速率和化学平衡的因素。
【课上学习任务】
1．认识合成氨反应的特点。
2．根据合成氨反应的特点，结合实际生产具体讨论压强、温度、催化剂和浓度条件选择。
3．认识对化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
4．能够运用化学反应原理对化学反应进行条件控制。
【课后作业】
1．氨的合成反应，生产中采用的适宜条件是（
）
A．低温、高压、适当的催化剂
B．高温、常压
C．尽可能高温、高压
D．适当的温度、适当的高压、适宜催化剂
2．在合成氨工业中，为增加氨的日产量，下列变化过程中不能使平衡向右移动的是（
）
A．不断将氨分离出来
B．使用催化剂
C．增大氮气的浓度
D．采用20～50
MPa的压强
3．利用反应：2NO(g)＋2CO(g)2CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝－746.8
kJ·mol-1，可净化汽车尾气，如果要同时提高该反应的速率和NO的转化率，采取的措施是(　　)
A．降低温度
B．增大压强同时加催化剂
C．升高温度同时充入N2
D．及时将CO2和N2从反应体系中移走
4．下列事实不能用平衡移动原理解释的是（
）
A．由H2、I2（g）、HI组成的平衡体系，缩小体积后颜色加深
B．实验室用排饱和食盐水的方法收集氯气
C．工业上生产硫酸的过程中使用过量的空气以提高二氧化硫的利用率
D．加压有利于N2和H2在一定的条件下转化为NH3
5．N2O5是一种新型硝化剂，在一定温度下可发生以下反应：
2N2O5(g)
?4NO2
(g)+
O2(g)
ΔH>
0
。
t℃时，向密闭容器中通入N2O5，部分实验数据见下表：
时间/s
0
500
1000
1500
c(N2O5)/
mol·L-1
5.00
3.52
2.50
2.50
下列说法中不正确的是（
）
A．0~500
s
N2O5分解速率为2.96×10-3
mol/(L·s)
B．达平衡时，N2O5的转化率为50%
C．达平衡后，升高温度，逆反应速率增大
D．达平衡后，其他条件不变，将容器的体积压缩到原来的一半，c(N2O5)=
5.00
mol/L
6．向密闭容器中，按n(CO)∶n(H2)＝1∶2充入反应物，发生反应：
CO(g)＋2H2(g)
?
CH3OH(g）ΔH＜0。L（L1、L2）、X可分别代表压强或温度，下图表示L一定时，平衡混合物中CH3OH的体积分数随X的变化关系。下列说法中正确的是（
）
X代表压强
L1＜L2
平衡常数：K(A)＝K(B)
在C点时，CO转化率为75%
7．CH4—CO2催化重整不仅可以得到合成气（CO和H2），还对温室气体的减排具有重要意义。回答：
（1）CH4—CO2催化重整反应为：CH4(g)+
CO2(g)
?2CO(g)+2H2(g)。
已知：C(s)+2H2(g)=CH4(g)
ΔH
＝－75
kJ·mol?1
C(s)+O2(g)=CO2(g)
ΔH
＝－394
kJ·mol?1
C(s)+(g)=CO(g)
ΔH
＝－111
kJ·mol?1
该催化重整反应的ΔH＝____
kJ·mol?1，有利于提高CH4平衡转化率的条件是___
（填字母序号）。
a．高温低压
b．低温高压
c．高温高压
d．低温低压
（2）某温度下，在体积为2
L的容器中加入2
mol
CH4、1
mol
CO2以及催化剂进行重整反应，达到平衡时CO2的转化率是50%，其平衡常数K=_______
。
8．“C1化学”是指以碳单质或分子中含1个碳原子的物质（如CO、CO2、CH4、CH3OH等）为原料合成工业产品的化学工艺，对开发新能源和控制环境污染有重要意义。
（1）一定温度下，在两个容积均为2
L的密闭容器中，分别发生反应：
CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)
ΔH＝－49.0
kJ/mol。相关数据如下：
容器
甲
乙
反应物投入量
1
mol
CO2(g)和3
mol
H2(g)
1
mol
CH3OH(g)和1
mol
H2O(g)
平衡时c(CH3OH)
c1
c2
平衡时能量变化
放出29.4
kJ
吸收a
kJ
请回答：
c1
c2（填“>”“<”或“=”）；a
=
。
②若甲中反应10
s时达到平衡，则用CO2来表示甲中反应从开始到平衡过程中的平均反应速率是
mol/(L·s)。
（2）压强为p1时，向体积为1
L的密闭容器中充入b
mol
CO和2b
mol
H2，发生反应CO(g)+2H2(g)
?
CH3OH(g)。平衡时CO的转化率与温度、压强的关系如右图所示。请回答：
①该反应属于
（填“吸”或“放”）热反应；
p1
p2（填“＞”“＜”或“＝”）。
②100℃时，该反应的平衡常数K=
（用含b的代数式表示）。
（3）治理汽车尾气的反应是2NO(g)+2CO(g)?2CO2(g)+N2(g)
ΔH<0。在恒温恒容的密闭容器中通入n(NO):n(CO)=1:2的混合气体，发生上述反应。下列图像正确且能说明反应在进行到t1时刻一定达到平衡状态的是
（选填字母）。
a
b
c
d
【课后作业参考答案】
1．D
2．B
3．B
4.
A
5.
D
6.D
7.
（1）+247
a
（2）
8.（1）①＝　　　?19.6?
　　　②0.03?
（2）①放　　
<　　②1/b2?
（3）c
d?教
案
教学基本信息
课题
化学平衡（4）
学科
化学
学段：
高中
年级
高二
教材
书名：化学反应原理
出版社：人民教育出版社
出版日期：2007年2
月
教学目标及教学重点、难点
1．教学目标
（1）通过合成氨生产条件的分析和选择，了解应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和方法。
（2）通过用化学反应速率理论、化学平衡理论并结合设备、成本等多种因素选择合成氨反应条件，发展平衡观念，培养解决化学实际问题的能力。
（3）通过了解合成氨对工业、农业等领域的重要作用，提升社会责任素养。
2．教学重点
（1）通过合成氨生产条件的分析和选择，了解应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和方法。
（2）通过用化学反应速率理论、化学平衡理论并结合设备、成本等多种因素选择合成氨反应条件，发展平衡观念，培养解决化学实际问题的能力。
3．教学难点
通过用化学反应速率理论、化学平衡理论并结合设备、成本等多种因素选择合成氨反应条件，发展平衡观念，培养解决化学实际问题的能力。
教学过程(表格描述)
教学环节
主要教学活动
设置意图
环节一
合成氨工业的产生----从物质到反应
由氨气的重要性引入合成氨工业的产生：
在19世纪、20世纪初成为一项受到众多科学家瞩目和关切的重大课题。介绍科学家认识合成氨的可行性的历史。
以工业合成氨发展历史为主线，充分调动学生的兴趣。
环节二
合成氨工业的条件选择----从实验室到工业生产
根据合成氨反应的特点，应如何选择外界条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？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采取的措施是否一致。
结合实际生产具体讨论压强、温度、催化剂和浓度条件选择。
引导学生利用已有的化学反应速率、化学平衡知识讨论如何合理地选择工业合成氨的条件。
环节三
合成氨工业的优化----从工业生产到技术改进
技术改进紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期,
改善经济性”
的基本目标,
进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。
分析如何提高反应物的平衡转化率和如何加快合成氨的反应速率。
学生能够明确理论的应用中还要考虑设备、成本等多种因素，培养学生解决化学实际问题的能力，发展平衡观念和社会责任素养。
环节四：
合成氨工业的未来----从技术改进到原理探微
从氮气分子结构入手分析人工固氮如此困难的本质原因。提出使用合适催化剂降低活化能和生物固氮的设想。
介绍最新研究成果。
引导学生从微观角度，运用化学反应原理解决实际问题。
环节五：
课堂练习与课后小结
练习：氨的分解条件选择、合成氨的相关练习，进行条件选择和评价。
影响化学反应进行的因素有两个方面，首先是参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素，其次是温度、压强、浓度、催化剂等外界条件。化学反应的调控，就是通过改变外界条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找一个适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。
进一步巩固相关知识与方法，引导学生认识综合运用化学反应原理对化学反应进行调控的方法。
环节六：
布置作业
查阅资料，自主学习制取硫酸的工业流程，并说明哪些工业涉及到化学反应速率及化学平衡问题，如何解决？完成相关习题。
将自主学习延伸至课后。

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