第2章 第4节 化学反应条件的优化—工业合成氨（课件）-2021-2022学年高中化学选修4【导与练】高中同步全程学习（鲁科版）

化学 化学 第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 化学 化学 [新课导入] (教师用书备用) 一个化学反应,解决了20世纪世界人口由30亿增至60亿对粮食的需求,可信吗?这个反应看似简单,却是20世纪的世纪难题。德国化学家哈伯科学地创造适宜的条件调控合成氨的反应,终于在1913年实现了合成氨的工业化生产,因此获得 1918年诺贝尔化学奖。人们赞扬哈伯是用空气制造面包的圣人。根据合成氨反应原理:298 K时,N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH =-92.2 kJ·mol-1,通过我们已学习的条件对化学平衡和化学反应速率的影响,选择什么样的条件才更有利于工业合成氨呢? 化学 化学 [学习目标] 1.了解如何应用化学反应速率和化学平衡移动原理分析合成氨的适宜 条件。 2.了解化学反应速率和化学平衡调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。 3.通过对工业合成氨生产条件的优化选择,认识化学反应原理在工业生产中的重要价值。 化学 课前预习 课堂探究 化学 化学 课前预习 知识衔接 1.影响化学平衡的条件有温度、浓度、压强等。 2.影响化学反应速率的条件有浓度、温度、压强、催化剂、固体表面 积等。 3.对于有两种及以上反应物参与的可逆反应,增大某一反应物的浓度,另一反应物的转化率提高。 化学 化学 教材新知 一、合成氨反应的限度 1.反应原理 　ΔH(298 K)=-92.2 kJ·mol-1,ΔS(298 K)= -198.2 J·K-1·mol-1。 2.反应特点 (1)298 K时反应能自发进行。 (2)正反应方向气态物质系数 。 (3)正反应为 热反应。 3.影响因素 (1)外界条件: 温度, 压强,有利于化学平衡向生成氨的方向移动。 (2)投料比:温度、压强一定时,N2与H2的体积比为 时平衡混合物中氨的含量最高。 减小 放 降低 增大 1∶3 N2(g)+3H2(g)2NH3(g) 化学 化学 [自我诊断] 1.利用原料气在合成塔中合成氨时,为提高N2的转化率所采取的措施是(　 　) A.高温 B.高压 C.使用催化剂 D.增大N2的浓度 2.能够使合成氨反应进行的程度增大的措施是(　 　) A.升高温度 B.降低压强 C.使用催化剂 D.不断移去NH3 B D 化学 化学 二、合成氨反应的速率 1.速率方程:在特定条件下,合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3),由速率方程可知, N2或H2的浓度,减小NH3的浓度,都有利于提高合成氨反应的速率。 2.温度升高时,k ,因此升温有利于提高合成氨的速率。 3.加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能,使合成氨反应的速率 提高。 增大 增大 [思考1] 合成氨反应是一个放热反应,从提高平衡转化率来看应采取低温,从反应速率角度看宜采取高温,应如何确定反应温度? 答案:为了同时兼顾反应限度和反应速率,同时考虑到催化剂的活性,人们采用了700 K左右的反应温度。 化学 化学 三、合成氨的适宜条件 1.合成氨反应条件的选择原则 (1)优先考虑较快的 ,提高单位时间内的产量。 (2)尽量增大反应物的 ,充分利用原料。 (3)还要考虑设备和技术条件。 反应速率 转化率 化学 化学 2.合成氨反应的适宜条件 化学平 衡角度 反应速 率角度 实际生产条件 压强 高压 高压 1×107～1×108 Pa 温度 低温 高温 700 K左右 浓度 增大 增大 (1)N2与H2的投料比为 1∶2.8; (2)使气态NH3变成液态NH3并及时从平衡混合物中分离出去,并及时补充N2和H2 催化剂 无影响 有影响 铁触媒 化学 化学 [思考2] 即使采用高压,合成氨反应平衡后的混合气体中,NH3的体积分数也仅占到14%～17%,那工业上是如何提高原料转化率的? 答案:一方面把已平衡的混合气体降温,使氨液化分离出来;另一方面把分离出NH3后的N2、H2重新输送入合成氨塔,进行循环使用,以提高原料利用率。 化学 化学 B [自我诊断] 1.工业上合成氨N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　 ΔH=-92.4 kJ·mol-1一般采用700 K左右的温度,其原因是(　 　) ①提高H2的转化率　②适当提高氨的合成速率　③提高氨的产率　④催化剂在700 K时活性最大 A.只有① B.②④ C.②③④ D.①② 化学 化学 2.下表的实验数据是在不同温度和压强下,平衡混合物中NH3含量的变化情况。达到平衡时平衡混合物中NH3的含量(