第2章++第4節(jié)+化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨【知識(shí)精研+拓展延伸】高二上學(xué)期化學(xué)魯科版（2019）選擇性必修1

第4節(jié)

化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化—工業(yè)合成氨

復(fù)習(xí)回顧影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些?

化學(xué)反應(yīng)速率

化學(xué)平衡

溫度氣體壓強(qiáng)催化劑濃度溫度越高，反應(yīng)速率越大壓強(qiáng)越大，反應(yīng)速率越大催化劑加快反應(yīng)速率反應(yīng)物濃度越大，反應(yīng)速率越大升高溫度，平衡向吸熱方向移動(dòng)增大壓強(qiáng)，平衡向氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的方向移動(dòng)催化劑對(duì)平衡無(wú)影響增大反應(yīng)物濃度，平衡正向移動(dòng)1、應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理,選擇合成氨的適宜條件。2、應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思想和方法。3、通過(guò)合成氨條件的分析，認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的控制在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。重點(diǎn)難點(diǎn)聯(lián)系實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，合成氨適宜條件的選擇素養(yǎng)目標(biāo)

英國(guó)科學(xué)家

克魯克斯重走固氮路環(huán)節(jié)一1898年→德國(guó)化學(xué)家富蘭克林等人研究出氮?dú)?、碳化鈣、水蒸

氣制氨氣，并設(shè)立工廠，但生產(chǎn)成本較高1898年→英國(guó)科學(xué)家克魯克斯發(fā)出“向空氣要氮肥”的號(hào)召方案一方案二【思考】你選擇哪套方案實(shí)現(xiàn)固氮？Why？=-33.1KJ·mol-1＜0=+53.3KJ·mol-1＞0哈伯的實(shí)驗(yàn)室裝置合成氨工廠模型如何優(yōu)化合成氨的反應(yīng)條件？1909年→“哈伯-博施法”合成氨哈伯完成了合成氨的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)工作，博施實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化，兩人先后獲得諾貝爾獎(jiǎng)1902年→哈伯研究N2、H2合成氨氣

德國(guó)化學(xué)家哈伯重走固氮路環(huán)節(jié)一如何提高綜合經(jīng)濟(jì)效益合成氨氣的速率合成氨氣的限度（平衡移動(dòng)、轉(zhuǎn)化率）生產(chǎn)成本、動(dòng)力、材料、設(shè)備等對(duì)上述理論探討進(jìn)一步論證理論實(shí)際工業(yè)合成氨反應(yīng)條件的控制一、合成氨反應(yīng)的限度環(huán)節(jié)二(溫度、濃度、壓強(qiáng)等)①△S＜0②△H＜0③△vg＜0降低溫度

溫度(℃)壓強(qiáng)(atm)氨的體積分?jǐn)?shù)

（%）

400℃，500atm增大壓強(qiáng)一、合成氨反應(yīng)的限度觀察下圖，尋找合適的投料比1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2與H2的投料比為1:31.你認(rèn)為可以通過(guò)控制哪些反應(yīng)條件來(lái)提高合成氨反應(yīng)的速率？2.實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為:請(qǐng)你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃度對(duì)反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來(lái)提高反應(yīng)速率？3.請(qǐng)根據(jù)表2-4-1所給數(shù)據(jù)分析催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響。二、合成氨反應(yīng)的速率自主探究

合作解疑合作解疑1你認(rèn)為可以通過(guò)控制哪些反應(yīng)條件來(lái)提高合成氨反應(yīng)的速率？v溫度濃度壓強(qiáng)催化劑(1)升高溫度；(2)增大壓強(qiáng)；(3)增大反應(yīng)物濃度；(4)使用催化劑2.實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，氨的合成反應(yīng)的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)濃度的關(guān)系式為

v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)根據(jù)該關(guān)系式分析∶

各物質(zhì)的濃度對(duì)反應(yīng)速率有哪些影響?可以采取哪些措施來(lái)提高反應(yīng)速率??1、氨的合成反應(yīng)的速率與氮?dú)鉂舛鹊?次方成正比，與氫氣濃度的1.5次方成正比，與氨氣濃度的1次方成反比。2.應(yīng)在反應(yīng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)，將氨從混合氣中分離出去。結(jié)論：合作解疑2催化劑對(duì)氨的合成反應(yīng)速率的影響合作解疑3使用催化劑可以使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬(wàn)億倍。因此，要實(shí)現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，使用適宜的催化劑是最有效的途徑。結(jié)論：三、合成氨生產(chǎn)的適宜條件使NH3生產(chǎn)得快（速率分析）外界條件壓強(qiáng)溫度催化劑反應(yīng)物濃度使NH3生產(chǎn)得多（平衡分析）外界條件壓強(qiáng)溫度催化劑反應(yīng)物濃度高壓高溫使用增大濃度低溫高壓增大濃度無(wú)影響矛盾（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（即提高單位時(shí)間里氨的產(chǎn)量）

多快化學(xué)平衡反應(yīng)速率如生產(chǎn)設(shè)備所需材料的要求

注意環(huán)境保護(hù)，反應(yīng)物利用率接近百分之百好省綠色化學(xué)降低成本綜合理論和實(shí)際兩方面,在工業(yè)合成氨的過(guò)程中我們需要關(guān)注哪些問(wèn)題？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

我們都是廠長(zhǎng)

項(xiàng)目競(jìng)聘

假如你是某合成氨工廠的廠長(zhǎng)，在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中，你重點(diǎn)要考慮問(wèn)題有哪些?（時(shí)間：4min）1、壓強(qiáng)怎么選？2、催化劑用不用？3、溫度怎么選？4、濃度怎么定？N2和H2的比例怎么定？

1、壓強(qiáng)怎么選？分析①合成氨反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動(dòng)，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。②但是壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動(dòng)力大，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。理論實(shí)際根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng)。實(shí)際生產(chǎn)壓強(qiáng)一般選擇在200～500大氣壓之間。綜上2、催化劑用不用？經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快，原料的利用率要高，單位時(shí)間的產(chǎn)量要高。分析

實(shí)際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在700K時(shí)活性最高綜上鐵觸媒催化能力3、溫度怎么選？分析①因?yàn)檎磻?yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫度有利于平衡正向移動(dòng)。②可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)到平衡所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，因此溫度也不宜太低。③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。理論實(shí)際實(shí)際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）綜上4、濃度怎么定？N2和H2的比例怎么定？分析①增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動(dòng)。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1:3時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，

②但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量比為1:2.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。理論實(shí)際

實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；及時(shí)將氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)利用，使其保持一定的濃度。即N2和H2的物質(zhì)的量比為1:2.8綜上合成氨的催化歷程工業(yè)上，氮?dú)馀c氫氣合成氨的反應(yīng)是在催化劑表面上進(jìn)行的。這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，一般要經(jīng)歷反應(yīng)物擴(kuò)散至催化劑表面、吸附在催化劑表面、發(fā)生表面反應(yīng)、產(chǎn)物從催化劑表面脫附、產(chǎn)物擴(kuò)散離開(kāi)反應(yīng)區(qū)等五個(gè)步驟。使NH3生產(chǎn)得快（速率分析）外界條件壓強(qiáng)溫度催化劑反應(yīng)物濃度使NH3生產(chǎn)得多（平衡分析）外界條件壓強(qiáng)溫度催化劑反應(yīng)物濃度高壓高溫使用增大濃度低溫高壓增大濃度無(wú)影響研討結(jié)果適宜壓強(qiáng)700K鐵觸媒N2:H2=1:2.8四、合成氨工業(yè)簡(jiǎn)述

P88主要流程：原料氣制取凈化壓縮合成分離液氨（造氣）（凈化）（合成氨）四、合成氨工業(yè)簡(jiǎn)述

遷移應(yīng)用環(huán)節(jié)三已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H＜0。其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1.01×1055.05×1051.01×1065.05×1061.01×10745097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3壓強(qiáng)/Pa轉(zhuǎn)化率/%溫度/℃工業(yè)生產(chǎn)硫酸時(shí)，在SO2氧化為SO3的階段應(yīng)選擇的適宜條件：(1)溫度應(yīng)選擇______，理由是

。(2)壓強(qiáng)應(yīng)選擇_______,理由

。(3)在生產(chǎn)中，通入過(guò)量空氣的目的是

。450℃

在相同的壓強(qiáng)下，溫度越低，SO2的轉(zhuǎn)化率越大

增加氧氣的濃度，使平衡正向移動(dòng)，增大SO2的