第4節(jié)化學反應條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨

第4節(jié)化學反應條件的優(yōu)化

——工業(yè)合成氨自從德國化學家哈伯研究出合成氨的方法以后，化學工業(yè)迅猛發(fā)展，為有機合成和炸藥生產(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.了解合成氨反應的特點以及外部條件對合成氨反應的影響。（重點）2.了解合成氨反應的主要流程，了解工業(yè)生產(chǎn)條件選擇的依據(jù)和原則。3.知道化學反應速率和化學平衡的調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學研究領域中的重要作用。19世紀以前，有遠見的化學家曾指出：考慮到將來的糧食問題，為使子孫后代免于饑餓，必須寄希望于科學家能實現(xiàn)大氣固氮——將空氣中豐富的氮固定下來并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式。德國化學家哈伯在1913年實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿足了20世紀人口由30億增至60億對糧食的需求，因此人們贊揚哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。

弗里茨·哈伯【拓展視野】利用氮氣、氫氣為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個較難的課題，從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了150年的時間。反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起來十分簡單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會經(jīng)歷如此漫長的過程？合成氨工廠為什么需要龐大而復雜的生產(chǎn)設備和特殊的生產(chǎn)條件？應該從哪些方面選擇合成氨的反應條件？化學反應的方向化學反應的限度化學反應的速率合成氨反應能否自發(fā)進行怎樣能使化學平衡向合成氨方向移動怎樣能提高合成氨反應速率適宜的合成氨條件工藝流程化學工藝學高壓對設備材質(zhì)、加工制造的要求、溫度對催化劑活性的影響等合成氨反應有哪些特點？①可逆反應③正反應氣體體積縮小④正反應是放熱反應②熵減小的反應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】合成氨反應是一個可逆反應:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:ΔH=-92.2kJ·mol-1

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

=-92.2kJ·mol-1+298K×198.2×10-3kJ·k-1·mol-1因為ΔH-TΔS<0，298K下合成氨反應能自發(fā)進行已知增加N2的量能增大H2的轉(zhuǎn)化率，結(jié)合方程式判斷：工業(yè)合成氨時加入氮氣的量是越多越好嗎？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℃壓強氨含量溫度不同條件下平衡混合氣中氨的體積分數(shù)思考相同溫度時增大壓強，反應的程度如何變化？反應的程度增大?！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℃壓強氨含量溫度不同條件下平衡混合氣中氨的體積分數(shù)思考相同壓強時升高溫度，反應的程度如何變化？反應的程度減小【想一想】高壓高溫使用高壓低溫不影響根據(jù)外界條件對反應速率和反應限度的影響，請為工業(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？壓強是否越大越好？考慮催化劑的活性考慮設備的耐壓能力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：既要考慮化學反應速率和化學平衡，還要綜合考慮設備等。該溫度是催化劑活性最大的溫度；加快化學反應速率，提高生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟效益；工業(yè)上利用某可逆反應生產(chǎn)產(chǎn)品有哪些注意事項？【思考討論】(雙選)在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列變化過程不能使平衡向右移動的是（

）A.不斷將NH3分離出來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BC【學與用】合成氨工業(yè)簡述：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?。撼Ｓ脡嚎s液態(tài)空氣N2(先逸出)蒸發(fā)制氮氣:（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

催化劑的催化能力一般稱為催化活性。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，稱為催化劑的中毒。催化劑中毒后，往往會完全失去活性，嚴重影響生產(chǎn)的正常進行。例如，對于合成氨反應中的鐵催化劑，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，要把反應物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設備，提高成本。因此，研制具有較強抗毒能力的新型催化劑，是一個重要的課題。催化劑中毒【拓展視野】

解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠；1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸；1982年達到1021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。近幾年來，我國引進了一批年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠設備。我國自行設計和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬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，技術和設備都很先進。我國合成氨工業(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: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：將生成的氨及時從混合氣中分離出來，且向循環(huán)氣中不斷補充N2、H2（1︰2.8)。1.能使合成氨反應進行程度增大的方法是（）A.升高溫度B.降低壓強C.使用催化劑D.及時分離出氨氣 D2.下列反應達到平衡時，哪種條件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2(g)

X2Y4(g)（正反應為放熱反應）()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制得，其中一步的反應為：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)（正反應放熱），下列措施中，能提高CO轉(zhuǎn)化率的是（）A.增大壓強B.升高溫度C.增大水蒸氣濃度D.增大CO濃度C4.對于反應: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,必定生成2體積SO3B.其他條件不變,增大壓強,平衡向左移動C.平衡時,SO2的消耗速率必定等于O2的生成速率的兩倍D.平衡時,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行合成氨反應：N2+3H22NH3(正反應為放熱反應)，下列圖像表示正確的是（