202X年高中化学第2章化学反应的方向、限度与速率2.4化学反应条件的优化——工业合成氨课件7鲁科版选修4

1、第四节第四节 化学反响条件的优化化学反响条件的优化 -工业合成氨工业合成氨 同学们都知道氨气被誉为明星分子，她的合成为进一步生产氮肥，保证粮食增产打下了坚实的根底。利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了150年的时间。 化学反响N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看起来十分的简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨工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？化学热化学热力学力学化学动化学动力学力学化学反响化学反响的方向的方向化学反响化学反响的限度的限度化学反响化学反响的速率的速率合成氨反合成氨反响能否自响

2、能否自发进展？发进展？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响速率？反响速率？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【交流交流研讨研讨】合成氨反响是一个可逆反响合成氨反响是一个可逆反响: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)298K时时: H= -92.2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1请根据正反响的焓变和熵变分析请根据正反响的焓变和熵变分析298K下下合成氨反响能否自发进展？合成氨反响能否自发进展？合成氨反响的特点：合成氨反响

3、的特点：可逆反响可逆反响正反响是放热反响正反响是放热反响正反响气态物质系数减小正反响气态物质系数减小N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -(1体积体积) (3体积体积) (2体积体积) K K-1-1molmol-1-1【交流交流研讨研讨】 请利用化学平衡的知识分析什么请利用化学平衡的知识分析什么条件有利于氨的合成条件有利于氨的合成 一、合成氨反响的限度一、合成氨反响的限度1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2讨论：讨论：能否用过量氮气提高氢气转能否用过量氮气提高氢气转化率？工业合成氨是否采用此方法？化率？工业合成氨是否

4、采用此方法？NH3%1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 N2:H2外界条件外界条件使使NH3生产得生产得多多平衡分析平衡分析压强温度催化剂反应物浓度生成物浓度高压高压低低温温无影响无影响增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度二、合成氨反响的速率二、合成氨反响的速率【交流交流研讨研讨】1 1、你认为可以通过控制那些反响条件、你认为可以通过控制那些反响条件来提高合成氨反响的速率？来提高合成氨反响的速率？2、实验研究说明，在特定条件下，、实验研究说明，在特定条件下，合成氨反响的速率与反响的物质的浓合成氨反响的速率与反响的物质的浓度的关系为度的关系为: =C(N2)C(H2)C-1(NH3)请你

5、根据关系式分析：各物质的浓请你根据关系式分析：各物质的浓度对反响速率有哪些影响？可以采度对反响速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反响速率？取哪些措施来提高反响速率？ 3、请你根据下表所给的数据分析催化、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反响速率的影响：剂对合成氨反响速率的影响：催化剂对合成氨反响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生成生成物氨的浓度物氨的浓度反响物的浓度反响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

6、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响速率，又可提高氨高反响速率，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，

7、在合成氨工业中在合成氨工业中要要不要使用催化剂不要使用催化剂，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？ 1 1、压强怎么选？、压强怎么选？ 分析：分析： 合成氨反响是气态物质系数减合成氨反响是气态物质系数减小的气体反响，增大压强既可以增大小的气体反响，增大压强既可以增大反响速率，又能使平衡正向移动，所反响速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。以理论上压强越大越好。 但是压强越大，对设备的要求但是压强越大，对设备的要求高、压缩高、压缩H2H2和和N2N2所需要的动力大，因所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。此选择压强应符合实际科学技术

8、。 综合以上两点综合以上两点: :根据反响器可使用的钢根据反响器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在中压强一般选择在200200500500大气压之间。大气压之间。 2 2、温度怎么选择？、温度怎么选择？ 分析：分析： 因为正反响方向是放热的反响，所以降低温因为正反响方向是放热的反响，所以降低温度有利于平衡正向移动。度有利于平衡正向移动。 可是温度越低，反响速率越小，到达平衡所需可是温度越低，反响速率越小，到达平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。要的时间越长，因此温度也不宜太低。 催化剂催化剂要在一定温度下催化要在一定温度下催

9、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左右主要考虑催化剂的活性。左右主要考虑催化剂的活性。 3 3、用不用催化剂？、用不用催化剂？ 实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂实际生产中选用铁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: : 经济效益和社会效益要求化学反响速度要快，经济效益和社会效益要求化学反响速度要快， 原料的利用率要高，单位时间的产量要高。原料的利用率要高，单位时间的产量要高。 4 4、浓度怎么定？、浓度怎么定？ N N2 2 和和H H2 2的比例怎

10、么定？的比例怎么定？ 增大反响物的浓度可以增大反响速率，减小增大反响物的浓度可以增大反响速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡生成物的浓度可以使平衡正向移动。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，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2N2的浓度，即的浓度，即N2N2和和H2H2的物质的量比为的物质的量比为1 1：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：及时将气态氨实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化别离出去；及时将氮气和氢气循环冷却液化别

11、离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。即利用，使其保持一定的浓度。即N2N2和和H2H2的物的物质的量比为质的量比为1 1：阅读书本阅读书本67页页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响器可使用的钢材质根据反响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：的投料：的投料比比, 氨及时从混合气中别离出去氨及时从混合气中别离出去【总结总结】工业上利用某可逆反响生产产品：工业上利用某可

12、逆反响生产产品： 一般要使用催化剂：这样可以大大加快一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反响速率，提高生产效率，也提高了经济效化学反响速率，提高生产效率，也提高了经济效益；益； 选择适宜的温度：该温度是催化剂活性最大选择适宜的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；的温度； 选择适宜的压强：既要考虑化学反响速率和选择适宜的压强：既要考虑化学反响速率和化学平衡，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在合成氨工业中，为增加在合成氨工业中，为增加NH3NH3的日产量，以下的日产量，以下变化过程不能使平衡向右移动的是变化过程不能使平衡向右移动的是 A A不断将不断将NH