第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨

第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化

——工業(yè)合成氨自從德國(guó)化學(xué)家哈伯研究出合成氨的方法以后，化學(xué)工業(yè)迅猛發(fā)展，為有機(jī)合成和炸藥生產(chǎn)提供了原料，但合成氨的研究卻經(jīng)歷了100多年，這是為什么呢？【思考】（1）你知道工業(yè)合成氨的反應(yīng)條件嗎？（2）合成氨條件選擇的依據(jù)是什么？1.了解合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)以及外部條件對(duì)合成氨反應(yīng)的影響。（重點(diǎn)）2.了解合成氨反應(yīng)的主要流程，了解工業(yè)生產(chǎn)條件選擇的依據(jù)和原則。3.知道化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重要作用。19世紀(jì)以前，有遠(yuǎn)見(jiàn)的化學(xué)家曾指出：考慮到將來(lái)的糧食問(wèn)題，為使子孫后代免于饑餓，必須寄希望于科學(xué)家能實(shí)現(xiàn)大氣固氮——將空氣中豐富的氮固定下來(lái)并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式。德國(guó)化學(xué)家哈伯在1913年實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿足了20世紀(jì)人口由30億增至60億對(duì)糧食的需求，因此人們贊揚(yáng)哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。

弗里茨·哈伯【拓展視野】利用氮?dú)?、氫氣為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個(gè)較難的課題，從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了150年的時(shí)間。反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起來(lái)十分簡(jiǎn)單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會(huì)經(jīng)歷如此漫長(zhǎng)的過(guò)程？合成氨工廠為什么需要龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件？應(yīng)該從哪些方面選擇合成氨的反應(yīng)條件？化學(xué)反應(yīng)的方向化學(xué)反應(yīng)的限度化學(xué)反應(yīng)的速率合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行怎樣能使化學(xué)平衡向合成氨方向移動(dòng)怎樣能提高合成氨反應(yīng)速率適宜的合成氨條件工藝流程化學(xué)工藝學(xué)高壓對(duì)設(shè)備材質(zhì)、加工制造的要求、溫度對(duì)催化劑活性的影響等合成氨反應(yīng)有哪些特點(diǎn)？①可逆反應(yīng)③正反應(yīng)氣體體積縮?、苷磻?yīng)是放熱反應(yīng)②熵減小的反應(yīng)ΔS<0N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝-92.2kJ/mol(1體積)(3體積)(2體積)【思考與交流】合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時(shí):ΔH=-92.2kJ·mol-1

ΔS=-198.2J·K-1·mol-1合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)K=4.1×106（mol·L-1)-2請(qǐng)根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？ΔH-TΔS

=-92.2kJ·mol-1+298K×198.2×10-3kJ·k-1·mol-1因?yàn)棣-TΔS<0，298K下合成氨反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行已知增加N2的量能增大H2的轉(zhuǎn)化率，結(jié)合方程式判斷：工業(yè)合成氨時(shí)加入氮?dú)獾牧渴窃蕉嘣胶脝?？N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH

＝－92.2kJ/mol【提示】不是。經(jīng)研究，工業(yè)合成氨采用N2︰H2=1︰2.8效果較好。1︰11︰21︰31︰41︰51︰60.60.50.40.30.20.1NH3%N2︰H231.457.579.892.698.81×108Pa23.142.265.284.295.46×107Pa9.119.138.264.286.42×107Pa4.510.625.152.081.51×107Pa13.826.447.071.089.93×107Pa0.050.10.42.215.31×105Pa400℃600℃500℃300℃

200℃壓強(qiáng)氨含量溫度不同條件下平衡混合氣中氨的體積分?jǐn)?shù)思考相同溫度時(shí)增大壓強(qiáng)，反應(yīng)的程度如何變化？反應(yīng)的程度增大?！鞠胍幌搿?1.457.579.892.698.81×108Pa23.142.265.284.295.46×107Pa9.119.138.264.286.42×107Pa4.510.625.152.081.51×107Pa13.826.447.071.089.93×107Pa0.050.10.42.215.31×105Pa400℃600℃500℃300℃

200℃壓強(qiáng)氨含量溫度不同條件下平衡混合氣中氨的體積分?jǐn)?shù)思考相同壓強(qiáng)時(shí)升高溫度，反應(yīng)的程度如何變化？反應(yīng)的程度減小【想一想】高壓高溫使用高壓低溫不影響根據(jù)外界條件對(duì)反應(yīng)速率和反應(yīng)限度的影響，請(qǐng)為工業(yè)合成氨選擇合適的條件：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH

＝-92.2kJ·mol-1【想一想】思考：溫度是否越高越好？壓強(qiáng)是否越大越好？考慮催化劑的活性考慮設(shè)備的耐壓能力N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝-92.2kJ·mol-1【想一想】

適宜溫度（500℃左右）使用鐵觸媒作催化劑N2和H2的物質(zhì)的量比為1︰2.8的投料比,氨及時(shí)從混合氣中分離出去2×107～5×107Pa催化劑活性大【研討結(jié)果】1.一般要使用催化劑：2.選擇合適的溫度：3.選擇合適的壓強(qiáng)：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要綜合考慮設(shè)備等。該溫度是催化劑活性最大的溫度；加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟(jì)效益；工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品有哪些注意事項(xiàng)？【思考討論】(雙選)在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列變化過(guò)程不能使平衡向右移動(dòng)的是（

）A.不斷將NH3分離出來(lái)B.使用催化劑C.采用700K左右的高溫D.采用2×107～5×107Pa的壓強(qiáng)BC【學(xué)與用】合成氨工業(yè)簡(jiǎn)述：1.主要流程：原料氣制取→凈化→壓縮→合成→分離→液氨2.原料氣制取：常用壓縮液態(tài)空氣N2(先逸出)蒸發(fā)制氮?dú)?（造氣）（凈化）（合成氨）制氫氣:水蒸氣CO+H2CO2+H2H2

熾熱炭H2O(氣)分離出CO2

合成氨的壓縮機(jī)

催化劑的催化能力一般稱(chēng)為催化活性。催化劑因接觸少量的雜質(zhì)而使活性明顯下降甚至被破壞，稱(chēng)為催化劑的中毒。催化劑中毒后，往往會(huì)完全失去活性，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。例如，對(duì)于合成氨反應(yīng)中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。工業(yè)上為了防止催化劑中毒，要把反應(yīng)物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設(shè)備，提高成本。因此，研制具有較強(qiáng)抗毒能力的新型催化劑，是一個(gè)重要的課題。催化劑中毒【拓展視野】

解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠；1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬(wàn)噸；1982年達(dá)到1021.9萬(wàn)噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。近幾年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展情況：工業(yè)合成氨的適宜條件:(速率較快,轉(zhuǎn)化率適中，催化劑活性最大)溫度:700K壓強(qiáng):2×107～5×107Pa（200～500atm）催化劑：鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑)濃度：將生成的氨及時(shí)從混合氣中分離出來(lái)，且向循環(huán)氣中不斷補(bǔ)充N(xiāo)2、H2（1︰2.8)。1.能使合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度增大的方法是（）A.升高溫度B.降低壓強(qiáng)C.使用催化劑D.及時(shí)分離出氨氣 D2.下列反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，哪種條件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2(g)

X2Y4(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）()A.高溫高壓B.低溫低壓C.高溫低壓D.低溫高壓D3.合成氨所需的H2可由煤和水蒸氣反應(yīng)制得，其中一步的反應(yīng)為：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)（正反應(yīng)放熱），下列措施中，能提高CO轉(zhuǎn)化率的是（）A.增大壓強(qiáng)B.升高溫度C.增大水蒸氣濃度D.增大CO濃度C4.對(duì)于反應(yīng):2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)，下列判斷正確的是()A.2體積SO2和足量O2反應(yīng),必定生成2體積SO3B.其他條件不變,增大壓強(qiáng),平衡向左移動(dòng)C.平衡時(shí),SO2的消耗速率必定等于O2的生成速率的兩倍D.平衡時(shí),SO2濃度必定等于O2濃度的兩倍C5.（雙選）在一定條件下，將N2和H2的混合氣體通入固定容積的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)：N2+3H22NH3(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))，下列圖像表示正確的是（