2.4化学反应条件的优化-工业合成氨-高二化学同步精品课堂（鲁科版2019选择性必修1）

第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨 1 知新温故 影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些? 化学反应速率 化学平衡 温度 气体压强 催化剂 浓度 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 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 弗里茨·哈伯 用空气制造面包的人 19世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。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，使合成氨的设想在1913年成为工业现实，满足了20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人”。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。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年才实现了合成氨的工业化生产。经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨1000吨的大型装置。 化学反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) 看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的发展过程?合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件? 联想·质疑 5 化学热力学 化学动力学 化学反应的方向 化学反应的限度 化学反应的速率 合成氨反应能否自发进行？ 怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动？ 怎样能提高合成氨反应速率？ 适宜的合成氨条件 工艺流程 化学工艺学 高压对设备材质、 加工制造的要求、温度 的催化剂活性的影响等 合成氨反应是一个可逆反应: N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) (1体积) (3体积) (2体积) 已知298K时: △H= -92.2KJ·mol-1 ， △S = -198.2J·K-1·mol-1 【思考】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？【分析】观察合成氨的化学反应，说明合成反应的特点。 交流·研讨 ① 可逆反应 ③正反应气体体积缩小 ④正反应是放热反应 ②熵减小的反应 常温(298 K)下,能自发进行 一、合成氨反应的方向性 ∆H-T△S=-92.2KJ·mol-1-298K×（-198.2KJ·K·mol-1×10-3 ） = -33.1KJ·mol-1＜0 二、合成氨反应的限度 目标：合成氨的平衡转化率越大越好 如何从温度、浓度、压强角度提高合成氨的平衡转化率？ N2(g) +3H2(g)⇌2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1 因素 反应特点 相应措施 温度 浓度 压强 放热 正向反应分子数减小 低温 高压 增加反应物浓度， 分离出NH3 归纳总结 提高合成氨反应限度的方法 进一步研究发现，在一定的温度、压强下氮气、氢气的体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高。 反应条件：低温、高压、增加反应物浓度、分离出NH3 V(N2):V(H2)=1:3 实际生产中的处理方法： N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比；及时将气态氨冷却液化分离出去；将氮气和氢气循环利用。 9 N2(g) +3H2(g)⇌2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1 资料1.合成氨反应速率与参与反应的物质浓度的关系式为： υ=kc(N2) · c1.5(H2) · c-1(NH3) 三、合成氨反应的速率 目标：工业生产希望反应速率越大越好 结论：1、氨的合成反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。 2.应在反应达到一定转化率时，将氨从混合气中分离出去。 3.根据表2-4-1所给数据分析催化剂对氨的合成反应速率的影响。
 交流·研讨 催化剂对氨的合成反应速率的影响 结论：使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。因此，要实现合成氨的工业化生产，使用适宜的