高中化學(xué) 第2章 化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率 第4節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨課件5 魯科版選修4-魯科版高中選修4化學(xué)課件

1、第四節(jié)第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨工業(yè)合成氨 葡萄缺氮葡萄缺氮 德國(guó)哈伯（德國(guó)哈伯（ Fritz Haber ）哈伯與合成氨合成氨合成氨從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了約約150年年的時(shí)間。德國(guó)科學(xué)家哈伯在的時(shí)間。德國(guó)科學(xué)家哈伯在10年年的時(shí)間的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的探索，單是尋找高效穩(wěn)定的催內(nèi)進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的探索，單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑，化劑，2年間他們就進(jìn)行了多達(dá)年間他們就進(jìn)行了多達(dá)6500次試驗(yàn)，測(cè)次試驗(yàn)，測(cè)試了試了2500種不同的配方，最后選定了一種合適種不同的配方，最后選定了一種合適的催化劑，使合成氨的設(shè)想在的催化劑，使

2、合成氨的設(shè)想在1913年成為工業(yè)年成為工業(yè)現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)實(shí)。鑒于合成氨工業(yè)的實(shí)現(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院鑒于合成氨工業(yè)的實(shí)現(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院于于1918年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。問(wèn)題問(wèn)題1.1.化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行受哪些因素影響？化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行受哪些因素影響？化學(xué)反應(yīng)的方向化學(xué)反應(yīng)的方向問(wèn)題問(wèn)題2 2.分析合成氨反應(yīng)的焓變和熵變分析合成氨反應(yīng)的焓變和熵變N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H0 S0資料卡片資料卡片-選修選修4 4：P38P38科學(xué)視野科學(xué)視野合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng): N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) G = G =

3、H -TH -TS S 當(dāng)當(dāng) G0G0G0時(shí)，反應(yīng)不自發(fā)進(jìn)行時(shí)，反應(yīng)不自發(fā)進(jìn)行 當(dāng)當(dāng) G=0G=0時(shí)，時(shí)，平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)已知已知298K時(shí)時(shí): H= -92.2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1H-T S= -33.1KJmol-10問(wèn)題問(wèn)題1.1.化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行受哪些因素影響？化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行受哪些因素影響？化學(xué)反應(yīng)的方向化學(xué)反應(yīng)的方向問(wèn)題問(wèn)題2.2.分析合成氨反應(yīng)的焓變和熵變分析合成氨反應(yīng)的焓變和熵變N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H0 S0G G 0 0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行問(wèn)題問(wèn)題3 3：根據(jù)你所學(xué)的知識(shí)，分析合成氨反應(yīng)難以：根據(jù)你所學(xué)的

4、知識(shí)，分析合成氨反應(yīng)難以 發(fā)生的原因是什么？發(fā)生的原因是什么？（從反應(yīng)物性質(zhì)考慮）（從反應(yīng)物性質(zhì)考慮）NN NN 鍵能很大，鍵能很大，N N2 2很不活潑很不活潑（3 3）便宜便宜（4 4）綠色綠色（2 2）快快（1 1）多多【交流交流】即提高平衡混合物里氨的含量即提高平衡混合物里氨的含量 化學(xué)平衡問(wèn)題化學(xué)平衡問(wèn)題即提高單位時(shí)間里氨的產(chǎn)量即提高單位時(shí)間里氨的產(chǎn)量 化學(xué)反應(yīng)速率問(wèn)題化學(xué)反應(yīng)速率問(wèn)題成本低，如對(duì)耐高溫設(shè)備成本低，如對(duì)耐高溫設(shè)備 所需材料的要求。所需材料的要求。即注意環(huán)境保護(hù)，反應(yīng)物利即注意環(huán)境保護(hù)，反應(yīng)物利用率接近百分之百用率接近百分之百 假如你是化工廠的廠長(zhǎng)，在合成氨的假如你是化

5、工廠的廠長(zhǎng)，在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，你有什么要求？工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，你有什么要求？【交流交流研討研討】根據(jù)此反應(yīng)特點(diǎn)從理論上分析：根據(jù)此反應(yīng)特點(diǎn)從理論上分析：1.什么條件有利于提高合成氨的速率？什么條件有利于提高合成氨的速率？化學(xué)反應(yīng)的速率和限度化學(xué)反應(yīng)的速率和限度 2.用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)分析什么條件用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)分析什么條件 有利于提高有利于提高NH3的含量？的含量？N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H0 S0理論分析理論分析濃度濃度催化劑催化劑溫度溫度壓強(qiáng)壓強(qiáng)速率分析速率分析使使NH3生產(chǎn)得生產(chǎn)得快快外界條件外界條件高壓高壓高溫高溫使用使用增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度平衡分

6、析平衡分析使使NH3生產(chǎn)得生產(chǎn)得多多高壓高壓低溫低溫?zé)o影響無(wú)影響增大反應(yīng)物濃度或減增大反應(yīng)物濃度或減小生成物濃度小生成物濃度原料氣原料氣氮?dú)湮镔|(zhì)的量比氮?dú)湮镔|(zhì)的量比與平衡混合氣中與平衡混合氣中NH3%的關(guān)系圖的關(guān)系圖數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析1-1-濃度選擇濃度選擇 思考：濃度怎么定？思考：濃度怎么定？ N N2 2 和和H H2 2的比例怎么定？的比例怎么定？從平衡的角度，在從平衡的角度，在N N2 2和和H H2 2的物質(zhì)的量比為的物質(zhì)的量比為1 1：3 3時(shí)，平時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大。衡轉(zhuǎn)化率最大。實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高N N2 2的濃度的濃度，即，即N N2 2和和H H2 2的物質(zhì)的量比

7、為的物質(zhì)的量比為1 1：2.82.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。 實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化態(tài)氨冷卻液化分離分離出去；及時(shí)將氮?dú)夂蜌涑鋈ィ患皶r(shí)將氮?dú)夂蜌錃鈿庋h(huán)利用循環(huán)利用，使其，使其保持一定的濃度保持一定的濃度。31.423.113.89.14.50.0560057.542.226.419.110.60.150079.865.247.038.225.10.440092.684.271.064.252.02.230098.895.489.986.481.515.3200100603020100.1 壓強(qiáng) NH3 /Mpa 含量/%溫度

8、/0C數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析2 2壓強(qiáng)和溫度選擇壓強(qiáng)和溫度選擇反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)平衡混合氣中氨的含量與反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)平衡混合氣中氨的含量與T、P有什么關(guān)系？有什么關(guān)系？工業(yè)合成氨是否壓強(qiáng)越高越好？工業(yè)合成氨是否壓強(qiáng)越高越好？理論采用：理論采用： 壓強(qiáng)越大越好壓強(qiáng)越大越好壓強(qiáng)越大，對(duì)壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備設(shè)備的要求高、壓縮的要求高、壓縮H2和和N2所需要的所需要的動(dòng)力動(dòng)力大，大，成本成本高，因此高，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。實(shí)際采用：實(shí)際采用：20MPa50MPa壓強(qiáng)選擇壓強(qiáng)選擇理論采用：理論采用： 高轉(zhuǎn)化率和高速率所用條件矛盾高轉(zhuǎn)化率和高速率所用條件矛盾實(shí)際采用：實(shí)際

9、采用： 500在在500條件下，催化劑活性最高；條件下，催化劑活性最高； 轉(zhuǎn)化率也適當(dāng)。轉(zhuǎn)化率也適當(dāng)。選擇合成氨的條件時(shí)，既選擇合成氨的條件時(shí)，既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速率，也不能只追求高反應(yīng)速率，而應(yīng)該而應(yīng)該尋找以較高的反應(yīng)尋找以較高的反應(yīng)速率獲得適當(dāng)轉(zhuǎn)化率速率獲得適當(dāng)轉(zhuǎn)化率的反的反應(yīng)條件。應(yīng)條件。溫度選擇溫度選擇條件條件反應(yīng)物活化能反應(yīng)物活化能 E /KJ/molE /KJ/mol無(wú)催化劑無(wú)催化劑335335使用使用“鐵觸媒鐵觸媒”催催化劑化劑167167 使用催化劑可使合成氨反應(yīng)使用催化劑可使合成氨反應(yīng) 的速率提高的速率提高上萬(wàn)億倍上萬(wàn)億倍。數(shù)

10、據(jù)分析數(shù)據(jù)分析3 3催化劑選擇催化劑選擇降低活化能降低活化能條件條件工業(yè)合成氨的適宜條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)壓強(qiáng)溫度溫度催化劑催化劑濃度濃度歸納高壓高壓（20MPa50MPa） 適宜溫度適宜溫度（500左右）左右）使用鐵觸媒作催化劑使用鐵觸媒作催化劑N2和和H2的物質(zhì)的量比為的物質(zhì)的量比為1：2.8的投的投料比；及時(shí)分離出液態(tài)氨料比；及時(shí)分離出液態(tài)氨合成氨工廠新技術(shù)新技術(shù)1-1-電化學(xué)：電化學(xué)： 19981998年兩位希臘化學(xué)家提出了年兩位希臘化學(xué)家提出了電解合成氨電解合成氨的新思路，的新思路，采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCYSCY陶瓷（能傳遞陶瓷（能傳遞H H+ +）為介質(zhì)，實(shí)

11、）為介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了高溫（現(xiàn)了高溫（570570）常壓下）常壓下高轉(zhuǎn)化率高轉(zhuǎn)化率的電解法合成氨，的電解法合成氨，裝置如下圖：裝置如下圖：鈀電極鈀電極A是電解池的是電解池的 極（填極（填“陽(yáng)陽(yáng)”或或“陰陰”），該極上的電極），該極上的電極反應(yīng)式是反應(yīng)式是 。 陰陰N2+6e-+6H+=2NH3（78%）新技術(shù)新技術(shù)2-2-利用原電池原理：利用原電池原理：有人設(shè)想以有人設(shè)想以N N2 2和和H H2 2為反應(yīng)物，以為反應(yīng)物，以溶有溶有A A的稀鹽酸的稀鹽酸為電解質(zhì)溶液為電解質(zhì)溶液，可制造出既能提供電能，又能固，可制造出既能提供電能，又能固氮的新型燃料電池，裝置如圖所示。氮的新型燃料電池，裝置如圖所示。電池電池正極正極的電極反應(yīng)式是的電極反應(yīng)式是A是是N N2 2+ 8H+ 8H+ + + 6e+ 6e- - =2NH=2NH4 4+ + NHNH4 4Cl Cl 認(rèn)認(rèn)識(shí)識(shí)化化學(xué)學(xué)反反應(yīng)應(yīng)化化學(xué)學(xué)反反應(yīng)應(yīng)條條件件的的優(yōu)優(yōu)化化共共同同影影響響限限度度方方向向速速率率定量描述：化學(xué)反應(yīng)定量描述：化學(xué)反應(yīng)速率速率影響因素：影響因素： c c（P P）T 催化劑等催化劑等 定量描述：化學(xué)定量描述：化學(xué)平衡