高中化學(xué)第2章化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率2.4化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化課件0魯科版選修

化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化—工業(yè)合成氨

第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后,英國(guó)從海上完全封鎖了與之為敵的德國(guó),硝石不能從智利進(jìn)口了.農(nóng)田沒有肥料,就會(huì)缺糧食;缺乏硝酸就會(huì)缺少炸藥,德國(guó)就會(huì)投降.可是兩年過(guò)去了，1916年德國(guó)的農(nóng)田仍一片蔥綠,前線的炮火反而更加猛烈了.這是怎么回事?是誰(shuí)創(chuàng)造了這個(gè)奇跡呢?回顧一段歷史……早在19世紀(jì)以前，為了滿足人們對(duì)氮肥，含氮的化合物日益增長(zhǎng)的需求，英國(guó)物理學(xué)家克魯克斯率先發(fā)出了“向空氣中要氮肥”的號(hào)召哈伯實(shí)驗(yàn)室合成氨,1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)博施實(shí)現(xiàn)工業(yè)合成氨，1931年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)克魯克斯回顧一段歷史……弗里茨.哈伯：德國(guó)化學(xué)家，出生于一個(gè)猶太富商家中。1900年獲得博士學(xué)位。1908年7月首次合成氨氣，1909年7月建成每小時(shí)生產(chǎn)90克氨氣的實(shí)驗(yàn)裝置，1918年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?！坝每諝庵圃烀姘氖ト恕?、“合成氨之父”

他在1914年研制生產(chǎn)了硝酸銨和黃色炸藥TNT，解決了德軍的軍火問題。在1915年1月，首次將氯氣用于戰(zhàn)場(chǎng)，后來(lái)又研制出了劇毒氣體光氣用于戰(zhàn)場(chǎng)。首創(chuàng)了使用化學(xué)毒劑的化學(xué)戰(zhàn)，在第一次世界大戰(zhàn)中有130萬(wàn)人受到化學(xué)戰(zhàn)的傷害，其中9萬(wàn)人死亡?！艾F(xiàn)代化學(xué)戰(zhàn)之父”回顧一段歷史……毀譽(yù)參半的哈伯（“天使”與“惡魔）哈伯【哈伯—實(shí)驗(yàn)室合成氨的條件】N2(g)+3H2(g)2NH3(g)該反應(yīng)能不能發(fā)生，在什么樣的條件下能更快、更多的獲取氨氣？【交流·研討】1.常溫下，氮?dú)夂蜌錃庥锌赡芎铣砂睔鈫幔?.若想提高氨在平衡混合氣中的含量，可以采取哪些措施？3.哪些措施能夠加快氮?dú)?、氫氣合成氨的反?yīng)速率？反應(yīng)方向反應(yīng)限度反應(yīng)速率1.反應(yīng)方向：298K時(shí)，△H-T△S﹤0反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行

298K時(shí)，K=4.1×106(mol·L-1)-2【哈伯—實(shí)驗(yàn)室合成氨的條件】哈伯[交流·研討]（P65頁(yè)）

請(qǐng)根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析在298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？已知：298K時(shí)，?H=－92.2kJ·mol-1?S=－198.2J·K-1·mol-12.反應(yīng)限度：①合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)是什么？（1）反應(yīng)

可逆反應(yīng)。（2）正反應(yīng)是

熱的。（3）正反應(yīng)是氣體體積

的反應(yīng)。②采取哪些措施有利于提高合成氨反應(yīng)的限度？（1）

溫度；（2）

壓強(qiáng)；（3）增大

濃度，減小

濃度哈伯【哈伯—實(shí)驗(yàn)室合成氨的條件】N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H=-92.2KJ·mol-1是放減小降低增大氮?dú)?、氫氣氨氣哈伯【哈伯—?shí)驗(yàn)室合成氨的條件】3.反應(yīng)速率合成氨反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度關(guān)系：ν=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)條件△

E/kJ/molk(催)/k(無(wú))無(wú)催化劑3353.4×1012(700K)使用Fe催化劑167（1）

溫度；（2）

壓強(qiáng)；（3）增大

濃度，減小

濃度。（4）

催化劑升高增大使用可增大合成氨反應(yīng)速率的措施氮?dú)?、氫氣氨氣生成物氨氣的濃度反?yīng)物的濃度催化劑溫度壓強(qiáng)使NH3生產(chǎn)快使NH3產(chǎn)率高外界條件高壓高壓低溫高溫使用無(wú)影響增大濃度增大濃度減小濃度減小濃度小結(jié)矛盾平衡分析速率分析

壓強(qiáng)怎么選？問題１

用不用催化劑？問題2

溫度怎么選擇？問題3問題4轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？【資料一】鋨是一種貴重金屬，儲(chǔ)量較少，開發(fā)成本高，粉末狀的金屬鋨，常溫下會(huì)逐漸氧化成四氧化鋨。四氧化鋨在48℃時(shí)熔化，在130℃時(shí)沸騰。鋨蒸汽有劇毒，強(qiáng)烈刺激人眼黏膜，嚴(yán)重會(huì)造成失明?！举Y料二】高溫高壓條件下，氫氣會(huì)使鋼脫碳，導(dǎo)致氫腐蝕，使鋼的機(jī)械性能下降，氫氣會(huì)滲透到鋼材內(nèi)部，使鋼材出現(xiàn)裂紋?！举Y料三】當(dāng)?shù)獨(dú)馀c氫氣體積比為1:3時(shí)平衡混合物中氨的含量最高，但是氮?dú)庠诖呋瘎┥衔绞欠磻?yīng)中最難發(fā)生的步驟，是影響反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟?！举Y料四】合成氨出氣口氨的含量較低，原料不能得到充分利用。博施【博施團(tuán)隊(duì)—工業(yè)合成氨適宜條件】尋找合適的催化劑，降低成本制造耐高溫高壓設(shè)備調(diào)整氮、氫比例使未反應(yīng)氣體循環(huán)利用工業(yè)生產(chǎn)要注重：原料易得，成本低，利用率高，生產(chǎn)效率高等博施【博施團(tuán)隊(duì)—工業(yè)合成氨適宜條件】【交流·研討】1.為什么不盡可能使用更高的壓強(qiáng)？2.為什么反應(yīng)溫度控制在700K左右？3.為什么氮?dú)馀c氫氣物質(zhì)的量之比是1:2.8而不是1:3催化劑Fe在700K時(shí)催化活性最強(qiáng)【實(shí)驗(yàn)室合成氨的條件】溫度壓強(qiáng)催化劑濃度450℃2×107Pa金屬鋨使氮?dú)鈿錃庋h(huán)，分離出氨氣反應(yīng)速率，反應(yīng)限度催化劑活性鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)成本實(shí)際反應(yīng)情況溫度壓強(qiáng)催化劑濃度700K107-108Pa鐵觸媒氮?dú)鈿錃馕镔|(zhì)的量之比1:2.8【課堂小結(jié)】哈伯博施【工業(yè)合成氨適宜條件】工業(yè)生產(chǎn)需要啟示：1.理論必須與實(shí)踐相結(jié)合。2.工業(yè)生產(chǎn)要追求效益最大化。1.關(guān)于合成氨的反應(yīng)，下列說(shuō)法正確的是（）

A．溫度越高，反應(yīng)速率越快，所以合成氨反應(yīng)的溫度越高越好

B．壓強(qiáng)越大合成氨反應(yīng)速率越大，工業(yè)上不采用過(guò)高的壓強(qiáng)主要是考慮反應(yīng)的限度問題

C．使用催化劑可以提高單位時(shí)間內(nèi)氨氣的產(chǎn)量

D．濃度越大，反應(yīng)速率越快，所以不必把氨從混合物中分離出來(lái)【鞏固練習(xí)】C2.根據(jù)二氧化硫催化氧化為三氧化硫的反應(yīng)特點(diǎn)和下表數(shù)據(jù)，選擇工業(yè)上制硫酸中二氧化硫接觸氧化的適宜條件。（1）2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）△H＜0（2）溫度和壓強(qiáng)對(duì)二氧化硫的平衡轉(zhuǎn)化率的影響（1）應(yīng)該選用的溫度是：

。（2）應(yīng)該采用的壓強(qiáng)是：

；

理由是：

壓強(qiáng)/Mpa轉(zhuǎn)化率%溫度/℃