第2章++第4节+化学反应条件的优化-工业合成氨【知识精研+拓展延伸】高二上学期化学鲁科版（2019）选择性必修1

第4节

化学反应条件的优化—工业合成氨

复习回顾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1、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。2、应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法。3、通过合成氨条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。重点难点联系实际工业生产，合成氨适宜条件的选择素养目标

英国科学家

克鲁克斯重走固氮路环节一1898年→德国化学家富兰克林等人研究出氮气、碳化钙、水蒸

气制氨气，并设立工厂，但生产成本较高1898年→英国科学家克鲁克斯发出“向空气要氮肥”的号召方案一方案二【思考】你选择哪套方案实现固氮？Why？=-33.1KJ·mol-1＜0=+53.3KJ·mol-1＞0哈伯的实验室装置合成氨工厂模型如何优化合成氨的反应条件？1909年→“哈伯-博施法”合成氨哈伯完成了合成氨的基础开发工作，博施实现了合成氨的工业化，两人先后获得诺贝尔奖1902年→哈伯研究N2、H2合成氨气

德国化学家哈伯重走固氮路环节一如何提高综合经济效益合成氨气的速率合成氨气的限度（平衡移动、转化率）生产成本、动力、材料、设备等对上述理论探讨进一步论证理论实际工业合成氨反应条件的控制一、合成氨反应的限度环节二(温度、浓度、压强等)①△S＜0②△H＜0③△vg＜0降低温度

温度(℃)压强(atm)氨的体积分数

（%）

400℃，500atm增大压强一、合成氨反应的限度观察下图，寻找合适的投料比1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2与H2的投料比为1:31.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？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: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？3.请根据表2-4-1所给数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响。二、合成氨反应的速率自主探究

合作解疑合作解疑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？v温度浓度压强催化剂(1)升高温度；(2)增大压强；(3)增大反应物浓度；(4)使用催化剂2.实验研究表明，在特定条件下，氨的合成反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为

v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)根据该关系式分析∶

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?
1、氨的合成反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。2.应在反应达到一定转化率时，将氨从混合气中分离出去。结论：合作解疑2催化剂对氨的合成反应速率的影响合作解疑3使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。因此，要实现合成氨的工业化生产，使用适宜的催化剂是最有效的途径。结论：三、合成氨生产的适宜条件使NH3生产得快（速率分析）外界条件压强温度催化剂反应物浓度使NH3生产得多（平衡分析）外界条件压强温度催化剂反应物浓度高压高温使用增大浓度低温高压增大浓度无影响矛盾（1）要使氨生成得更多（即提高平衡混合物里氨的含量）

（2）要使氨生成得更快（即提高单位时间里氨的产量）

多快化学平衡反应速率如生产设备所需材料的要求

注意环境保护，反应物利用率接近百分之百好省绿色化学降低成本综合理论和实际两方面,在工业合成氨的过程中我们需要关注哪些问题？4:002:592:582:572:562:552:542:532:522:512:492:482:472:462:452:442:432:422:412:402:392:382:372:362:352:342:332:322:312:302:292:282:272:262:252:242:232:222:212:202:192:182:172:162:152:142:132:122:112:102:092:082:072:062:052:042:032:022:013:003:593:583:573:563:553:543:533:523:513:493:483:473:463:453:443:433:423:413:403:393:383:373:363:353:343:333:323:313:303:293:283:273:263:253:243:233:223:213:203:193:183:173:163:153:143:133:123:113:103:093:083:073:063:053:043:033:023:013:501:000:590:580:570:560:550:540:530:520:510:490:480:470:460:450:440:430:420:410:400:390:380:370:360:350:340:330:320:310:300:290:280:270:260:250:240:230:220:210:200:190:180:170:160:150:140:130:120:110:100:090:080:070:060:050:040:030:020:010:002:001:591:581:571:561:551:541:531:521:511:491:481:471:461:451:441:431:421:411:401:391:381:371:361:351:341:331:321:311:301:291:281:271:261:251:241:231:221:211:201:191:181:171:161:151:141:131:121:111:101:091:081:071:061:051:041:031:021:010:501:502:50

我们都是厂长

项目竞聘

假如你是某合成氨工厂的厂长，在合成氨的工业生产中，你重点要考虑问题有哪些?（时间：4min）1、压强怎么选？2、催化剂用不用？3、温度怎么选？4、浓度怎么定？N2和H2的比例怎么定？

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。理论实际根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产压强一般选择在200～500大气压之间。综上2、催化剂用不用？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。分析

实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高综上铁触媒催化能力3、温度怎么选？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。理论实际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）综上4、浓度怎么定？N2和H2的比例怎么定？分析①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，

②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。理论实际

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。即N2和H2的物质的量比为1:2.8综上合成氨的催化历程工业上，氮气与氢气合成氨的反应是在催化剂表面上进行的。这是一个复杂的过程，一般要经历反应物扩散至催化剂表面、吸附在催化剂表面、发生表面反应、产物从催化剂表面脱附、产物扩散离开反应区等五个步骤。使NH3生产得快（速率分析）外界条件压强温度催化剂反应物浓度使NH3生产得多（平衡分析）外界条件压强温度催化剂反应物浓度高压高温使用增大浓度低温高压增大浓度无影响研讨结果适宜压强700K铁触媒N2:H2=1:2.8四、合成氨工业简述

P88主要流程：原料气制取净化压缩合成分离液氨（造气）（净化）（合成氨）四、合成氨工业简述

迁移应用环节三已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H＜0。其实验数据如表1.01×1055.05×1051.01×1065.05×1061.01×10745097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3压强/Pa转化率/%温度/℃工业生产硫酸时，在SO2氧化为SO3的阶段应选择的适宜条件：(1)温度应选择______，理由是

。(2)压强应选择_______,理由

。(3)在生产中，通入过量空气的目的是

。450℃

在相同的压强下，温度越低，SO2的转化率越大

增加氧气的浓度，使平衡正向移动，增大SO2的