高中化学-化学反应条件的优化教学课件设计

化学反应条件的优化

——工业合成氨

主讲:学习目标1.理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合适氨的适宜条件；初步认识合成氨的化学原理；了解合成氨的主要流程。2.研究应用化学原理选择工业生产条件的思想和方法。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：

将空气变为面包弗里茨·哈伯与合成氨

合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂--铁，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。

弗里茨·哈伯：

将空气变为面包一反应的自发性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？合成氨反应有哪些特点？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？N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H

＝-92.2kJ/mol(1体积)(3体积)(2体积)思考？1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2、H2体积比对产率的影响NH3%1、你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？

升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂二化学反应速率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？

增大N2`H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去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。3.分析催化剂对速率的影响选择适宜生产条件的原则是什么（1）既要注意外界条件对速率和限度影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性。（2）既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制。（3）既要注意理论上的需要，又要注意实际可能性。从速率与限度合成氨的适宜条件的选择如下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？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？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、使用催化剂？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。

3、使用催化剂？

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。

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。1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2、H2体积比对产率的影响NH3%

4、浓度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？

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。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：二、合成氨工业简述：1、主要流程：原料气制取净化压缩合成分离液氨2、原料气制取：空气压缩碳液态空气N2(先逸出)物理方法蒸发CO2(+N2)N2化学方法

分离出CO2制氮气:（造气）（净化）（合成氨）制氢气:天然气CO+H2CO2+H2H2

H2O(气)分离出CO2

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)H2O(气)已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0(1)应选用的温度是______。应采用的压强是______，理由是___________________________________________