2.4化学反应条件的优化——工业合成氨课件2023—2024学年上学期高二化学鲁科版（2019）选择性必修1

不平凡的鱼 2.4化学反应条件的优化 ——工业合成氨 学习目标 01 了解氨反应的限度 02 通过分析化学反应的限度和速率，选择合适的反应条件 1 神奇的生物固氮 在自然界里，由于生物固氮酶催化剂（如根瘤菌）的作用，在常温、常压下每年可以从空气中固定1亿吨氮。但只有豆科植物才能有此功能。其他植物需要氮肥满足自身生长。 用空气制造面包的人 弗里茨·哈伯 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。 合成氨工艺流程图 合成氨工厂一角 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 思考方向 01 02 化学反应的限度 03 化学反应的速率 合成氨的适宜条件的选择 化学反应的限度 HISTORY OF DEVELOPMENT 01 1、合成氨的反应的原理及特点 合成氨反应是一个可逆反应: N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 298K时: △H= -92.2KJ·mol-1 ， △S = -198.2J·K-1·mol-1 常温(298 K)下,能自发进行 ∆G= ∆H -T△S =-92.2KJ·mol-1-298K×（-198.2KJ·K·mol-1×10-3 ） = -33.1KJ·mol-1＜0 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 特点： 2、合成氨的反应的限度 合成氨反应的目的：提高氨的产率，即使反应最大程度的向右进行，提高反应物的转化率。 合成氨反应是一个可逆反应: N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 298K时: △H= -92.2KJ·mol-1 ， △S = -198.2J·K-1·mol-1如何从温度、浓度、压强角度提高合成氨的产率？ 根据反应特点,结合勒夏特列原理分析 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 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。 归纳总结 实际生产 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。 反应条件 低温、高压、增加反应物浓度、分离出NH3 c(N2):c(H2)=1:3 目标：工业生产希望反应速率越大越好 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) 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。 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，使用适宜的催化剂是最有效的途径。 使用铁触媒作催化剂 条件 △ E /KJ/mol k(催)/k(无) 无催化剂 335 3.4×1012(700k) 使用Fe催化剂 167 合成氨的催化历程 工业上，氮气与氢气合成氨的反应是在催化剂表面上进行的。这是一个复杂的过程，一般要经历反应物扩散至催化剂表面、吸附在催化剂表面、发生表面反应、产物从催化剂表面脱附、产物扩散离开反应区等五个步骤。 结论：P86 从温度、浓度、压强、催化剂角度提高合成氨的速率 因素 反应特点 相应措施 温度 浓度 压强 催化剂 活化能高 高温 高压 增加反应物浓度，分离出NH3 υ=kc(N2) · c1.5(H2) · c-1(NH3) 使用合适的催化剂 合成氨的适宜条件的选择 03 交流·研讨 提高反应的转化率 提高反应的