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2018年高中化学第2章化学反应的方向、限度与速率 2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨课件8 鲁科版选修4

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常见问题

1、化学反应条件的优化工业合成氨,学习目标,1.理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合适氨的适宜条件；初步认识合成氨的化学原理；了解合成氨的主要流程。 2.研究应用化学原理选择工业生产条件的思想和方法。,影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些?,温度越高,反应速率越大,压强越大,反应速率越大,正催化剂加快反应速率,反应物浓度越大,反应速率越大,升高温度,平衡向吸热方向移动,增大压强,平衡向气态物质系数减小的方向移动,催化剂对平衡无影响,增大反应物浓度,平衡正向移动,弗里茨哈伯：,将空气变为面包,弗里茨哈伯与合成氨,合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂-铁，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。,弗里茨哈伯：,将空气变为面包,一反应的自发性,合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),已

2、知298K时: H= -92.2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1 请根据正反应的焓变和熵变分析: 298K下合成氨反应能否自发进行？,合成氨反应有哪些特点？,请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？,N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol (1体积) (3体积) (2体积),思考？,N2、H2体积比对产率的影响,NH3%,1、你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？,升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂,二化学反应速率,2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:, =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3),请你根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？,增大N2H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去,催化剂对合成氨反应速率的影响,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。,3.分析催化剂对速率的影响,选择适宜生产条件的原则是什么,（1）既要注意外界条件对速率和限度影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性。（2）既要

3、注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制。（3）既要注意理论上的需要，又要注意实际可能性。,从速率与限度合成氨的适宜条件的选择如下,生成物氨的浓度,反应物的浓度,催化剂,温度,压强,速率分析,使NH3生产得快,外界条件,高压,高温,使用,增大浓度,减小浓度,平衡分析,使NH3生产得多,高压,低温,无影响,增大浓度,减小浓度,【交流研讨】,1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？,压强怎么定？,2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？,3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？,温度怎么选择？,要不要用催化剂？,1、压强怎么选？,合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。,综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。,2、温度怎么选择？,因为正反应方向是放热的

4、反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。,可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。,催化剂要在一定温度下催化活性最大。,综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。,3、使用催化剂？,催化剂对合成氨反应速率的影响,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。,3、使用催化剂？,实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。,经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。,N2、H2体积比对产率的影响,NH3%,4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？,4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？,增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。,实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。,研讨的结果,根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强,适宜温度 700K左右,使用铁触媒作催化剂,N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去,【总结】,一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。,【小结反思】,工业上利用某可逆反应生产产品：,二、合成氨工业简述：,1、主要流程：,2、原料气制取：,制氮气:,（造气）,（净化）,（合成氨）,制氢气:,CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g),H2O(气),(1) 应选用的温度是_。,应采用的压强是_，理由是_ _,450,常压,试一试？,

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