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10 鲁科版选修4-鲁科版高二选修4化学课件

1、 第第2 2章章 第四节第四节 化学反应条件的优化化学反应条件的优化 工业合成氨工业合成氨1914年，第一次世界大战爆发年，第一次世界大战爆发原来德国以哈伯为首的一批化学家克服了当时的世界化学难题以廉价的空气、水和煤炭合成了重要的制造肥料肥料和炸药炸药的化工原料氨气氨气。因为哈伯对合成氨工业所取得的重大成就，哈伯获得了1918年的诺诺贝尔化学奖贝尔化学奖，人们赞扬他为用空气制造出用空气制造出面包的天使面包的天使。德国化学家弗里茨哈伯氨硝酸染料炸药铵盐化肥工业冷冻(致冷剂)磺胺药物机械工业石油加工氰化物金属冶炼与 CO2反应尿素(作为肥料,尿素含氮量最高,是中性速效肥料,不会影响土质)塑料合成纤

2、维丁腈橡胶(氨氧化法) 假如将来你是一个合成氨工厂的厂长，假如将来你是一个合成氨工厂的厂长，对工业生产你会考虑哪些问题？对工业生产你会考虑哪些问题？交流研讨（交流研讨（P P65 65 ）：已知）：已知N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2 (g) 2NH2NH3 3 (g) H H0 0。在在298K298K时时: :_反应反应正反应为正反应为_反应反应正反应为气体体积正反应为气体体积_的反应的反应反应特点反应特点可逆可逆放热放热减小减小_自发进行的反应自发进行的反应能能H HT TS =S = 33.14 kJmol1 【自主探究自主探究】根据合成氨反应的特点应分别采取什么措施提高根据

3、合成氨反应的特点应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？请填写下表反应的平衡转化率和反应速率？请填写下表外界条件外界条件使使NH3生产的多生产的多使使NH3生产的快生产的快平衡分析平衡分析速率分析速率分析压强压强催化剂催化剂温度温度浓度浓度高压高压高压高压高温高温低温低温使用使用无影响无影响增大反应物浓度增大反应物浓度增大反应物浓度增大反应物浓度减小生成物浓度减小生成物浓度实验研究表明，在特定条件下，合成氨实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度关系反应的速率与参与反应的物质的浓度关系式为：式为：则各物质浓度对反应速率有何影响？可以则各物质浓度对反应速率有何

4、影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？采取哪些措施来提高反应速率？增大氮气和氢气的浓度，减小氨气的浓度【自主探究自主探究】【合作探究合作探究】据合成氨反应的特点应分别采取一些措施提高反据合成氨反应的特点应分别采取一些措施提高反应的平衡转化率和反应速率，但是二者能否一致？应的平衡转化率和反应速率，但是二者能否一致？外界条件外界条件使使NH3生产的多生产的多使使NH3生产的快生产的快平衡分析平衡分析速率分析速率分析压强压强催化剂催化剂温度温度浓度浓度高压高压高压高压高温高温低温低温使用使用无影响无影响增大反应物浓度增大反应物浓度增大反应物浓度增大反应物浓度减小生成物浓度减小生成物浓度一致一致矛盾矛

5、盾一致一致减小生成物浓度减小生成物浓度结合外界条件对合成氨反应结合外界条件对合成氨反应的平衡和速率的影响的平衡和速率的影响，请小组探，请小组探究，工业中合成氨的适宜条件。究，工业中合成氨的适宜条件。【合作合作 探究探究】三、合成氨的适宜条件 温馨提示温馨提示: : 经济效益经济效益和和社会效益社会效益要求化学反要求化学反应速度要应速度要快快，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。温馨提示：温馨提示： 既然增大压强既可提高反应速率，又可既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强选择选择多大多大比较

6、合适？是不是越大越好？比较合适？是不是越大越好？ 压强怎么选？压强怎么选？ 2合成氨反应的适宜条件合成氨反应的适宜条件 (1)压强压强 适宜条件适宜条件 理论依据：压强越大，要求动力越理论依据：压强越大，要求动力越大，对材料和设备的制造要求就越高。大，对材料和设备的制造要求就越高。 用不用催化剂？用不用催化剂？催化剂对合成氨反应速率的影响根据使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍上万亿倍分析，在合成氨工业中我们到底需不需要使用催化剂？答：需要，因为使用催化剂虽然不能提高答：需要，因为使用催化剂虽然不能提高合成氨的限度，但是可大大提高合成氨反合成氨的限度，但是可大大提高合成氨反应的速率，大大

7、的缩短到达平衡的时间。应的速率，大大的缩短到达平衡的时间。条件条件Ea/KJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012/(100k)使用使用Fe催化剂催化剂167 温度怎么选择？温度怎么选择？ 温馨温馨提示：提示： 既然降低温度有利于平衡向合成氨的方既然降低温度有利于平衡向合成氨的方向移动，但是合成氨的速率会降低，那么温向移动，但是合成氨的速率会降低，那么温度我们应该如何选择？度我们应该如何选择？1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2浓度怎么选择？浓度怎么选择？ 增大增大反应物的浓度可以反应物的浓度可以增大

8、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，但是实验测得实验测得适当提高适当提高N N2 2的的浓度，可提高浓度，可提高H H2 2的转化率，即的转化率，即N N2 2和和H H2 2的物质的量比的物质的量比为为1 1：2.82.8时，更能促进氨的合成。时，更能促进氨的合成。 浓度怎么选择？浓度怎么选择？0.10.1101020203030606010010040040015.315.3 8

9、1.581.586.486.489.989.995.495.4 98.898.85005002.22.252.052.064.264.271.071.084.284.2 92.692.66006000.40.425.125.138.238.247.047.065.265.2 79.879.87007000.10.110.610.619.119.126.426.442.242.2 57.557.58008000.050.054.54.59.19.113.813.823.123.1 31.431.4压强/MPaNH3含 量/%温度/K 即使在即使在700K700K和和30MPa30MPa时，合成氨

10、平衡时，合成氨平衡混合物中混合物中NHNH3 3的体积分数也只有的体积分数也只有26.4%26.4%，转化率仍不够大，还可采取什么办法？转化率仍不够大，还可采取什么办法？合合 成成 氨氨 流流 程程 简简 图图合 成 塔氨 分 离 器水 冷 器循环气体循环气体压缩机压缩机循循环环压压缩缩机机氮氢混合气氮氢混合气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：及时将气态氨冷却液液化分离化分离出去；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（1 1：2.82.8 ）。）。小小结结1、合成氨的工业条件的选择、合成氨的工业条件的选择反应

11、速率和化学平衡共同作用的结果反应速率和化学平衡共同作用的结果2、选择合成氨的条件时，既不能片面地、选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该率，而应该 合成氨适宜条件催化剂_温度_根据设备动力选择压强：N2、H2投料比_及时分离_铁触媒700K左右低压(1107Pa) 、中压(2107Pa (3107Pa) 、高压(8.5107Pa 1108Pa )、1:2.8氨气浓度：三、合成氨的适宜条件1、关于氨的合成工业的下列说法正确的是、关于氨的合成工业的下列说法正确的是（）(A)从合成塔出来的气体，其中氨一般占从合成塔出来的气体，其

12、中氨一般占15%，所以生产氨的工业的效率都很低，所以生产氨的工业的效率都很低(B)由于由于NH3易液化，易液化，N2、H2可循环使用，可循环使用，则总的说来氨的产率很高则总的说来氨的产率很高(C)合成氨工业的反应温度控制在合成氨工业的反应温度控制在500左左右，目的是使平衡向正反应方向进行右，目的是使平衡向正反应方向进行(D)合成氨工业采用合成氨工业采用20MPa-50MPa，是因该条件下催化剂的活性最好是因该条件下催化剂的活性最好BC C2.2.有如下平衡体系：有如下平衡体系： CO（g）+2H2（g） CH3OH(g)（正（正反应为放热反应），为了增加甲醇的产量，反应为放热反应），为了增加

13、甲醇的产量，应采取的正确措施是（应采取的正确措施是（ ）A.A.高温、高压高温、高压 B.B.低温、低压低温、低压C.C.适当的温度、适当的高压、适宜的催化剂适当的温度、适当的高压、适宜的催化剂D.D.高温、高压、催化剂高温、高压、催化剂3、合成氨所需的合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：而制得，其中一步的反应为：CO + H2O CO2 + H2 (正反应放热正反应放热)，下列措施中，能提高下列措施中，能提高CO转化率的是（转化率的是（ ）A增大压强增大压强 B升高温度升高温度C增大水蒸气浓度增大水蒸气浓度 D增大浓度增大浓度 已知2SO2(g)+O

14、2(g) 2SO3 (g) H0其实验数据见表：(1) 应选用的温度是_。应采用的压强是_，理由是_450常常压压因为常压下因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。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：

15、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】外界条外界条件件有利于加快速有利于加快速率的条件控制率的条件控制有利于平衡移动有利于平衡移动的条件控制的条件控制综合分析结果综合分析结果浓度浓度增大反应物的增大反应物的浓度浓度增大反应物的浓增大反应物的浓度、减小生成物度、减小生成物的浓度的浓度不断地补充反不断地补充反应物、及时地应物、及时地分离出生成物分离出生成物催化剂催化剂加合适的催化加合适的催化剂剂不需要不需要加合适的催化加合适的催化剂剂温度温度高温高温H0低温低温兼顾速率和平衡，兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜考虑催化剂的适宜温度温度H0高温高温在设备条件允许的在设备条件允许的前提下，尽量采取前提下，尽量采取高温并选取催化剂高温并选取催化剂压强压强高压高压(有气有气体参体参加加)(g)0高压高压在设备条件允许的在设备条件允许的前提下，尽量采取前提下，尽量采取高压高压(g)0低压低压兼顾速率和平衡，兼顾速率和平衡，选取适宜的压强选取适宜的压强四、合成氨工业简述：四、合成氨工业简述：1、主要流程：、主要流程