化学反应条件的优化

1、化学反应原理第二章第四节化学反应原理第二章第四节复习复习影响化学反应速率和化学平衡影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些的重要因素有哪些? 化学反应速率化学反应速率 化学平衡化学平衡 温度温度气体压强气体压强催化剂催化剂浓度浓度温度越高温度越高,反应速反应速率越大率越大压强越大压强越大,反应速反应速率越大率越大正催化剂加快反应正催化剂加快反应速率速率反应物浓度越大反应物浓度越大,反反应速率越大应速率越大升高温度升高温度,平衡向吸平衡向吸热方向移动热方向移动增大压强增大压强,平衡向气态物平衡向气态物质系数减小的方向移动质系数减小的方向移动催化剂对平衡无影响催化剂对平衡无影响增大反应物浓度增大

2、反应物浓度,平平衡正向移动衡正向移动 自从自从18091809年在南美州的智利发现了硝酸钠矿床之后，年在南美州的智利发现了硝酸钠矿床之后，智利硝石很快就成为当时世界上无机矿物含氮肥料的主要智利硝石很快就成为当时世界上无机矿物含氮肥料的主要来源，据估计，在来源，据估计，在1850-19001850-1900年间，全世界无机氮肥有年间，全世界无机氮肥有70%70%来自智利硝石，但矿产资源是有限的，这就迫使人们去思来自智利硝石，但矿产资源是有限的，这就迫使人们去思考：如何使大气中游离态氮，用人工的方法转变成可为植考：如何使大气中游离态氮，用人工的方法转变成可为植物吸收的化合态氮，即人工固氮，一直是化

3、学家探索的有物吸收的化合态氮，即人工固氮，一直是化学家探索的有关国计民生的重大课题，特别是如何利用空气中氮和水中关国计民生的重大课题，特别是如何利用空气中氮和水中的氢直接合成氨一直十九世纪化学家研究的焦点之一。但的氢直接合成氨一直十九世纪化学家研究的焦点之一。但由于长期未获成功，以至有人得出由于长期未获成功，以至有人得出“由氮和氢直接合成氨由氮和氢直接合成氨是不可能的是不可能的”的错误结论。直到的错误结论。直到19091909年，德国化学哈伯取年，德国化学哈伯取得了突破性进展，成功地建立了每小时能产生得了突破性进展，成功地建立了每小时能产生8080克氨的装克氨的装置，从而使人们看到了解决这一问

4、题的曙光，开创了合成置，从而使人们看到了解决这一问题的曙光，开创了合成氨的历史，哈伯也因此获得了氨的历史，哈伯也因此获得了19181918年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。 弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：化学反应化学反应的方向的方向化学反应化学反应的限度的限度化学反应化学反应的速率的速率合成氨反合成氨反应能否自应能否自发进行发进行？怎样能促怎样能促使化学平使化学平衡向合成衡向合成氨方向移氨方向移动动？怎样能提怎样能提高合成氨高合成氨反应速率反应速率？【交流交流研讨研讨】合成氨反应是一个可逆反应合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)已知已知298K时时: H= -92.

5、2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析请根据正反应的焓变和熵变分析298K下下合成氨反应能否自发进行？合成氨反应能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数下合成氨反应的平衡常数K为为.（molL-1)-2合成氨反应的特点：合成氨反应的特点：可逆反应可逆反应正反应正反应气态物质系数减小气态物质系数减小正反应是放热反应正反应是放热反应熵减小的放热反应熵减小的放热反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol【交流交流研讨研讨】 请利用化学平衡移动的知识分析请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成什么条件有利于氨的合

6、成书书P65 P65 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2_温度、温度、_压压强强有利于化学平衡有利于化学平衡向向生成氨的方生成氨的方向移动向移动，N2、H2体积体积比为比为_时平衡混合物中氨的含量最高时平衡混合物中氨的含量最高。增大降低1：31、2、催化剂对合成氨反应速率的影响条件条件 E /KJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700k)使用使用Fe催化剂催化剂167【交流交流研讨研讨】 =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)1、1.升高温升高温度度增大压增大压强强增大反应物浓度增大反

7、应物浓度使用催化剂使用催化剂增大增大N2H2浓度浓度,将氨及时从混将氨及时从混合气中分离出去合气中分离出去2.使用催化剂可使合成氨反应的速率使用催化剂可使合成氨反应的速率提高提高上万亿上万亿倍。倍。生成生成物物氨的浓度氨的浓度反应物的浓度反应物的浓度催化剂催化剂温度温度压强压强速率分析速率分析使使NH3生产得生产得快快外界条件外界条件高压高压高温高温使用使用增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度平衡分析平衡分析使使NH3生产得生产得多多高压高压低温低温无影响无影响增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度 研讨的内容研讨的内容研讨的问题研讨的问题 1、既然增大压强既可提、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高

8、氨高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？业中压强是否越大越好？压强怎么定？压强怎么定？2、既然降低温度有利于、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越，那么生产中是否温度越低越好？低越好？3 、催化剂对化学平衡的移动催化剂对化学平衡的移动没有影响没有影响， 在合成氨工业中在合成氨工业中要要不要不要使用催化剂使用催化剂，为什么为什么？温度怎么选择？温度怎么选择？要不要用催化要不要用催化剂？剂？化学反应化学反应的方向的方向化学反应化学反应的限度的限度化学反应化学反应的速率的速率合成氨反合成氨反应能否自应能

9、否自发进行发进行？怎样能促怎样能促使化学平使化学平衡向合成衡向合成氨方向移氨方向移动动？怎样能提怎样能提高合成氨高合成氨反应速率反应速率？适宜的合成氨条件适宜的合成氨条件工艺流程工艺流程化学工艺学高压对设备材质、加工制造的要求、温度的催化剂活性的影响等 1 1、压强怎么选？、压强怎么选？ 分析：分析： 合成氨反应是气态物质系数减小的气体合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，反应，增大增大压强既可以压强既可以增大增大反应速率，又能使反应速率，又能使平衡正向平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。移动，所以理论上压强越大越好。 但是压强越大，对但是压强越大，对设备设备的要求高、压缩的要求高、压缩H

10、 H2 2和和N N2 2所需要的所需要的动力动力大，因此选择压强应符合大，因此选择压强应符合实际科学技术。实际科学技术。 综合以上两点综合以上两点: :根据反应器可使用的钢根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。材质量及综合指标来选择压强。 2 2、温度怎么选择？、温度怎么选择？ 分析：分析： 因为正反应方向是放热的反应，所以因为正反应方向是放热的反应，所以降低降低温温度有利于平衡度有利于平衡正向正向移动。移动。 可是温度越低，反应可是温度越低，反应速率越小速率越小，达到平衡所需，达到平衡所需要的时间越要的时间越长长，因此温度也不宜太低。，因此温度也不宜太低。 催化剂催化剂要在一定温

11、度下催化要在一定温度下催化活性活性最大。最大。 综合以上因素综合以上因素: :实际生产中温度一般选择在实际生产中温度一般选择在700K700K左右左右（主要考虑催化剂的活性）（主要考虑催化剂的活性）。 3 3、用不用催化剂？、用不用催化剂？ 实际生产中选用实际生产中选用铁铁为主体的多成分催化剂为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在（铁触媒），它在700K700K时活性最高。时活性最高。 分析分析: : 经济效益经济效益和和社会效益社会效益要求化学反应速度要要求化学反应速度要快快， 原料的利用率要原料的利用率要高高，单位时间的产量要，单位时间的产量要高高。 4 4、浓度怎么定？、浓度怎么定？ N

12、N2 2 和和H H2 2的比例怎么定？的比例怎么定？ 增大增大反应物的浓度可以反应物的浓度可以增大增大反应速率，反应速率，减小减小生成物的浓度可以使平衡生成物的浓度可以使平衡正向正向移动。从化学平衡移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1 1：3 3时，平衡时，平衡转化率最大转化率最大，但是实验测得适当提高，但是实验测得适当提高N N2 2的的浓度，即浓度，即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8时，更能促时，更能促进氨的合成。进氨的合成。 实际生产中的处理方法实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却：

13、及时将气态氨冷却液化分离液化分离出去；及时将氮气和氢气出去；及时将氮气和氢气循环循环利用，使利用，使其保持一定的浓度。其保持一定的浓度。外部条件外部条件工业合成氨的适宜条件工业合成氨的适宜条件压强压强温度温度催化剂催化剂浓度浓度研讨的结果根据反应器可使用的钢材质根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强量及综合指标来选择压强 适宜温度适宜温度 700K左右左右使用铁触媒作催化剂使用铁触媒作催化剂N2和和H2的物质的量比为的物质的量比为1：2.8的投的投料比料比, 氨及时从混合气中分离出去氨及时从混合气中分离出去【总结总结】工业上利用某可逆反应生产产品：工业上利用某可逆反应生产产品： 一般要

14、一般要使用催化剂使用催化剂：这样可以大大加快化学：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 选择选择合适的温度合适的温度：该温度是催化剂活性最大：该温度是催化剂活性最大的温度；的温度； 选择选择合适的压强合适的压强：既要考虑化学反应速率和：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。 【小结小结反思反思】1 1、催化剂、催化剂合成氨的铁催化剂合成氨的铁催化剂 这一类合成氨催化剂以还原铁为催化剂主要活性成分，这一类合成氨催化剂以还原铁为催化剂主要活性成分，并掺加并掺加 各种促进剂

15、和载体的催化剂各种促进剂和载体的催化剂.促进剂：稀土金属及其氧化物促进剂：稀土金属及其氧化物关于稀土金属及其氧化物的作用，我国也进行了一些研关于稀土金属及其氧化物的作用，我国也进行了一些研究。国外也报究。国外也报 道了一些含道了一些含钐钐、锆锆、钯、钯、铑铑的催化剂研究的催化剂研究结果，发现稀土金属及其氧化物是对氨合成非常有效的结果，发现稀土金属及其氧化物是对氨合成非常有效的促进剂。我国有丰富的促进剂。我国有丰富的钛钛、锆锆、铌铌等稀有金属资源，因等稀有金属资源，因此，此， 以稀有金属氧化物为促进剂，有希望成为我国改进以稀有金属氧化物为促进剂，有希望成为我国改进工业合成氨的铁催化剂的研究方向之

16、一。工业合成氨的铁催化剂的研究方向之一。 合成氨的钌催化剂合成氨的钌催化剂合成氨熔铁型催化剂要在高温、高压和耗能合成氨熔铁型催化剂要在高温、高压和耗能高的苛刻条件下使用，且催化剂的活性并不高的苛刻条件下使用，且催化剂的活性并不是很高。而合成氨的钌催化剂可能是一种较是很高。而合成氨的钌催化剂可能是一种较好的催化剂。它在低温低压下活性很高，常好的催化剂。它在低温低压下活性很高，常压下比合成氨的铁催化剂的活性高压下比合成氨的铁催化剂的活性高1020倍，倍，且对水、且对水、CO和和CO2不敏感，但合成氨的钌催不敏感，但合成氨的钌催化剂在高压下未必比合成氨的铁催化剂来得化剂在高压下未必比合成氨的铁催化剂

17、来得优越。优越。现在，世界上好多国家（包括我国）的科学家，都现在，世界上好多国家（包括我国）的科学家，都在研究模拟生物固氮，即寻找人工制造的有固氮活在研究模拟生物固氮，即寻找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由两种蛋白质组成。一种蛋白性的化合物。固氮酶由两种蛋白质组成。一种蛋白质（二氮酶）的分子量约质（二氮酶）的分子量约22万，含有两个钼原子、万，含有两个钼原子、32个铁原子和个铁原子和32个活性硫原子；另一种蛋白质（二个活性硫原子；另一种蛋白质（二氮还原酶）是由两个分子量为氮还原酶）是由两个分子量为29000的相同亚基构的相同亚基构成的，每个亚基含有成的，每个亚基含有4个铁原子和个铁原子和

18、4个硫原子。已经个硫原子。已经发现一些金属有机化合物有可能作为可溶性的固氮发现一些金属有机化合物有可能作为可溶性的固氮催化剂。催化剂。 2.2.化学模拟生物固氮化学模拟生物固氮氮气在通常状态下十分稳定，一般难以发生化学氮气在通常状态下十分稳定，一般难以发生化学反应，但在超声波作用下，可以使氮分子中的化反应，但在超声波作用下，可以使氮分子中的化学键削弱，从而在较温和的条件下就可以发生化学键削弱，从而在较温和的条件下就可以发生化学反应。在室温下用超声波辐射溶有空气的饱和学反应。在室温下用超声波辐射溶有空气的饱和水溶液后，可以测到处理过的水中含有亚硝酸、水溶液后，可以测到处理过的水中含有亚硝酸、硝酸

19、等；如果处理溶有氮气、氢气和一氧化碳的硝酸等；如果处理溶有氮气、氢气和一氧化碳的饱和水溶液，可以测到甲醛、氢氰酸和咪唑等物饱和水溶液，可以测到甲醛、氢氰酸和咪唑等物质，这些实验对人工固氮的研究提供了一条新的质，这些实验对人工固氮的研究提供了一条新的途径。途径。 3.3.超声波固氮超声波固氮：【迁移应用迁移应用】工业制造硫酸的主要反应为工业制造硫酸的主要反应为:2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) H=-197.8 KJ/mol SO3 (g)+H2O(l)=H2SO4 (aq) 反应反应的平衡常数的平衡常数K随温度升高而减小随温度升高而减小.所用催化剂的主要成分为所用催化剂的主要成分为V2O5(6-12) 、K2SO4(17-20) 、SiO2 (50-70),能使催化剂中毒的物质有砷、硒、能使催化剂中毒的物质有砷、硒、氟等氟等.请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反应的工艺条件请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反应的工艺条件(温度温度 、压强、原料气配比等压强、原料气配比等)对工业生产硫酸的影响对工业生产硫酸的影响.书书P70 2P70 2不同压强不同压强SO2的转化率（的转化率（%）1.01 110105 5PaPa5.05 510105 5PaPa1.01 110106 6PaPa5.05 510106 6PaPa1.01 110107 7PaP