化学反应条件的优化

化学反应原理第二章第四节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,平衡正向移动自从1809年在南美州的智利发现了硝酸钠矿床之后，智利硝石很快就成为当时世界上无机矿物含氮肥料的主要来源，据估计，在1850-1900年间，全世界无机氮肥有70%来自智利硝石，但矿产资源是有限的，这就迫使人们去思考：如何使大气中游离态氮，用人工的方法转变成可为植物吸收的化合态氮，即人工固氮，一直是化学家探索的有关国计民生的重大课题，特别是如何利用空气中氮和水中的氢直接合成氨一直十九世纪化学家研究的焦点之一。但由于长期未获成功，以至有人得出“由氮和氢直接合成氨是不可能的”的错误结论。直到1909年，德国化学哈伯取得了突破性进展，成功地建立了每小时能产生80克氨的装置，从而使人们看到了解决这一问题的曙光，开创了合成氨的历史，哈伯也因此获得了1918年的诺贝尔化学奖。弗里茨·哈伯：

化学反应的方向化学反应的限度化学反应的速率合成氨反应能否自发进行？怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动？怎样能提高合成氨反应速率？【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合成氨反应的特点：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②熵减小的放热反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H

＝-92.2kJ/mol【交流·研讨】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．书P651:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2___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1：31、2、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【交流·研讨】ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)1、1.升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂增大N2`H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去2.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？化学反应的方向化学反应的限度化学反应的速率合成氨反应能否自发进行？怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动？怎样能提高合成氨反应速率？适宜的合成氨条件工艺流程化学工艺学高压对设备材质、加工制造的要求、温度的催化剂活性的影响等

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。

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【总结】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】合成氨的工业前景1、催化剂合成氨的铁催化剂这一类合成氨催化剂以还原铁为催化剂主要活性成分，并掺加各种促进剂和载体的催化剂.促进剂：稀土金属及其氧化物关于稀土金属及其氧化物的作用，我国也进行了一些研究。国外也报

道了一些含钐、锆、钯、铑的催化剂研究结果，发现稀土金属及其氧化物是对氨合成非常有效的促进剂。我国有丰富的钛、锆、铌等稀有金属资源，因此，

以稀有金属氧化物为促进剂，有希望成为我国改进工业合成氨的铁催化剂的研究方向之一。

合成氨的工业前景合成氨的钌催化剂合成氨熔铁型催化剂要在高温、高压和耗能高的苛刻条件下使用，且催化剂的活性并不是很高。而合成氨的钌催化剂可能是一种较好的催化剂。它在低温低压下活性很高，常压下比合成氨的铁催化剂的活性高10—20倍，且对水、CO和CO2不敏感，但合成氨的钌催化剂在高压下未必比合成氨的铁催化剂来得优越。合成氨的工业前景现在，世界上好多国家（包括我国）的科学家，都在研究模拟生物固氮，即寻找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由两种蛋白质组成。一种蛋白质（二氮酶）的分子量约22万，含有两个钼原子、32个铁原子和32个活性硫原子；另一种蛋白质（二氮还原酶）是由两个分子量为29000的相同亚基构成的，每个亚基含有4个铁原子和4个硫原子。已经发现一些金属有机化合物有可能作为可溶性的固氮催化剂。

2.化学模拟生物固氮合成氨的工业前景氮气在通常状态下十分稳定，一般难以发生化学反应，但在超声波作用下，可以使氮分子中的化学键削弱，从而在较温和的条件下就可以发生化学反应。在室温下用超声波辐射溶有空气的饱和水溶液后，可以测到处理过的水中含有亚硝酸、硝酸等；如果处理溶有氮气、氢气和一氧化碳的饱和水溶液，可以测到甲醛、氢氰酸和咪唑等物质，这些实验对人工固氮的研究提供了一条新的途径。

3.超声波固氮：【迁移应用】工业制造硫酸的主要反应为:2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H=-197.8KJ/mol①SO3(g)+H2O(l)=H2SO4(aq)②反应①的平衡常数K随温度升高而减小.所用催化剂的主要成分为V2O5(6％-12％)、K2SO4(17％-20％)、SiO2(50％-70％),能使催化剂中毒的物质有砷、硒、氟等.请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反应的工艺条件(温度、压强、原料气配比等)对工业生产硫酸的影响.书P702不同压强SO2的转化率（%）1.01×105Pa5.05×105Pa1.01×106Pa5.05×106Pa1.01×107Pa450℃97.5%98.9%99.2%99.6%99.7%500℃85.5%92.9%94.9%97.7%98.3%作业:习题：书P714.5完成全优设计:P52

夯实基础已知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。例题：已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0其实验数据见表（1）从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是

。（2）实际生产中，选定400℃～500℃作为操作温度其原因是

。（3）实际生产中，采用的压强为常压，其原因是:

.

（4）在生产中，通入过量空气的目是