化学反应原理 第4节化学反应条件的优化-工业合成氨

化学反应条件的优化

——工业合成氨化学反应原理第二章第四节研究目标：1、研究如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。（重点难点）2、研究应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法。过程方法目标培养思维能力、自学能力情感目标培养辩证唯物主义观点培养学生树立环保意识复习影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些?

化学反应速率

化学平衡

温度气体压强催化剂浓度温度越高,反应速率越大压强越大,反应速率越大正催化剂加快反应速率反应物浓度越大,反应速率越大升高温度,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

弗里茨·哈伯：

将空气变为面包【交流·研讨】合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时:△H=-92.2KJ·mol-1

△S=-198.2J·K-1·mol-1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？298K下合成氨反应的平衡常数K为４.１×１０６（mol·L-1)-2课本P65合成氨反应有哪些特点？①可逆反应③正反应气态物质系数减小④正反应是放热反应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？②熵减小的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H

＝-92.2kJ/mol(1体积)(3体积)(2体积)___温度、___压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为_____时平衡混合物中氨的含量最高。增大降低1：3【分析结果】【交流·研讨】1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？课本P66

升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂【交流·研讨】2、实验研究表明，在特定条件下，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)请你根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？课本P66

增大N2`H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：催化剂对合成氨反应速率的影响条件△E/KJ/molk(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。合成氨的适宜条件的选择生成物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压强速率分析使NH3生产得快外界条件高压高温使用增大浓度减小浓度平衡分析使NH3生产得多高压低温无影响增大浓度减小浓度【交流·研讨】

研讨的内容研讨的问题

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？1、压强怎么选？

分析：①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。

综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。

2、温度怎么选择？

分析：①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。

②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。③催化剂要在一定温度下催化活性最大。

综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。

3、用不用催化剂？

实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。

分析:

经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。讨论：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？1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2

4、浓度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？

增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小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1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。

实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。（阅读课本67-68页）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根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强

适宜温度

700K左右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】工业上利用某可逆反应生产产品：已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0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，但需要的动力更大，对设备的要求更高。【迁移应用】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D【课堂练习】2.合成氨中，原料气（N2、H2及少量的CO、NH3混合气）在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO，其反应是：（1）醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件应是__________。（T、P）（2）吸收CO后的醋酸铜氨液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用。醋酸铜氨液再