化学反应条件的选择-工业合成氨

第2章第四节

《

化学反应条件的优化——工业合成氨》新汶中学王菊11.2教学目标【知识与技能】应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；【过程与方法】

运用化学反应原理和化工生产条件选择的的思路和方法分析问题，解决问题；体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；【情感态度与价值观】认识化学反应速率和化学平衡的原理在工业生产中的重要作用，提升对化学反应的价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。

化学反应速率

化学平衡气体压强温度催化剂浓度回顾：影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些?升高温度,反应速率加快增大压强,反应速率加快催化剂加快反应速率增大反应物浓度，反应速率加快升高温度,平衡向吸热方向移动增大压强,平衡向气态物质系数减小的方向移动催化剂对平衡无影响增大反应物浓度,平衡正向移动

19世纪以前，有远见的化学家曾指出：考虑到将来的粮食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须寄希望于科学家能实现大气固氮——将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。德国化学家哈伯在1913年实现了合成氨的工业生产，因此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人”。

弗里茨·哈伯假如你是化工厂的老板，你将如何选择合成氨的适宜反应条件？都要考虑哪些方面的问题？一、理论1、反应能否自发进行？（反应方向问题）

2、怎样能使氨气产得多？（反应限度问题）3、怎样能使氨气产得快？（反应速率问题）

二、实际

生产成本和生产条件基本思路△H-T△S<0增大反应限度（平衡正向移动）加快反应速率合成氨反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1思考：请根据正反应的焓变和熵变，分析298K下合成氨反应能否自发进行？反应的方向△H-T△S<0反应能自发进行反应的特点合成氨反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1思考：从反应的可逆性、热效应、气态物质系数变化的角度分析合成氨的反应特点。a、可逆反应b、放热反应c、气态物质系数减小的反应思考：根据反应特点，结合化学平衡移动的知识，分析什么条件能使氨气生成得多？反应的限度合成氨反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1

降低温度，

增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2在温度压强一定时，N2、H2体积比为

1：3时平衡混合物中氨的含量最高。

N2、H2体积比对产率的影响图在反应达到一定转化率时，将产物氨气及时从混合气体中分离出去。思考：结合影响反应速率的因素，思考什么条件能使氨生成得快？反应的速率合成氨反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)思考：可以采取哪些措施来提高反应速率？增大N2、H2浓度，将氨及时从混合气中分离出去反应的速率催化剂对合成氨反应速率的影响条件△E（KJ/mol）k(催)/k(无)无催化剂3353.4×1012(700k)使用Fe催化剂167使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍反应的速率讨论：催化剂是对合成氨反应速率的影响程度如何？铁触媒催化能力【交流研讨】

研讨的内容研讨的问题

研讨结果1、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是否越大越好？压强怎么定？2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？3、催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？温度怎么选择？要不要用催化剂？适宜条件的选择N2和H2的物质的量比为1：2.8，及时将气态氨冷却液化分离出去；氮气和氢气循环利用.（阅读书本67页最后一段）讨论：浓度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？适宜条件的选择外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度研讨的结果

适宜温度

700K左右（催化剂活性最大）使用铁触媒作催化剂N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去，未转化的N2和H2进行循环利用适宜条件的选择低压：100个大气压中压：200—300个大气压高压：850—1000个大气压工业上利用某可逆反应生产产品：

一般要使用催化剂：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；

选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；选择合适的压强：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。【小结·反思】已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0（催化剂：V2O5在400—500℃催化效果最好）(1)应选用的温度是______。应采用的压强是______，理由是___________________________________________________________________________________450℃常压因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但会增大设备成本。【试一试】已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0（4）尾气中有SO2必须回收是为了

增大氧气浓度，提高SO2的利用率防止SO2污染空气(3)在生产中，通入过量空气的目是

【试一试】1．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（

）（A）不断将NH3分离出来（B）使用催化剂（C）采用700K左右的高温（D）采用2×107～5×107Pa的压强BC【巩固提升】2．工业合成氨的反应是在500℃左右进行，主要原因是（

）A.500℃时反应速率最快

B.500℃时NH3的平衡浓度最大

C.500℃℃时N2的转化率最高

D.500时催化剂能发挥最大效力D【巩固提升】3、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（）(A)延长反应时间(B)充入过量H2(C)充入过量N2(D)升高温度C【巩固提升】4.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2(g)

X2Y4(g)

（正反应为放热反应）()A.高温高压B.低温低压C.高温低压D.高压低温D【巩固提升】5.对于反应:2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)下列判断正确的是()A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动C.平衡时,SO2消耗速率必定等于O2的生成速率的两倍D.平衡时,SO2浓度必定等于O2浓度的两倍.BC【巩固提升】哈伯的功与过1905年哈伯在慕尼黑出版了《工业气体反应热力学》一书。书中阐述了他对氮、氢合成反应平衡关系的研究。哈伯经过不断探索和不懈努力，从常温常压到高温高压，从火花下反应到使用不同催化剂。最后，在200个大气压和温度在500-600℃时，氢、氮反应得到6%以上的氨。1909年7月，哈伯成功地建立了每小时能产生80克氨的实验装置。哈伯为合成氨工业奠定了基础。耗时5年，终于找到了合适的催化剂，并设计出能长期使用和可操作的简便合成氨装置。

1914年第一次世界大战开始，在战争期间该厂为德国提供了世界少有的氮化合物，以生产炸药和化肥。在哈伯的建议下,德军首次在战场上使用毒气,并有效地打击了敌人。不过,当毒气战计划传达给德军师级指挥官时,遭到了所有指挥官的拒绝。只有部队被围困在伊普雷城的阿尔布雷希特公爵予以支持。3个多月后,“毒气战”在伊普雷战役中正式诞生,造成英法联军约15000人中毒,并带走了5000多人的性命。不过,这场毒气战最终并没有给德国人带来胜利,却让哈伯陷入了众叛亲离的境地。哈伯的妻子克拉克也是化学博士,很清楚毒气的危害。当她恳求丈夫放弃这种惨无人道的武器时,丈夫不仅咒骂她,还声称毒气是“尽快结束战争的人道武器”。哈伯认为,作为战争工具的毒气,并不比“天上飞的弹体”更残忍。这些言行遭到来自国际科学界的一致谴责。

愤怒和无奈之下,克拉克用哈伯的手枪自杀身亡。但这并没有促使狂热的爱国者冷静下来。相反,他坚信自己所做的一切,都是“为了人类的和平,为了祖国的战争”。1918年，哈伯因研制合成氨作出重大贡献而获得诺贝尔化学奖，由于第一次世界大战中哈伯为德国军方研制杀人化学武器，哈伯被战胜国列入战犯名单。来自英法两国的科学家尤其激愤。在他们眼里,哈伯是个彻头彻尾