2.4 工业合成氨（教学课件）化学沪科版2020选择性必修1

该高中化学课件聚焦工业合成氨，涵盖反应条件选择、生产流程及化工调控思路，通过生活中调控反应实例（防锈、储存、灭火）导入，衔接化学反应速率与化学平衡知识，搭建从理论到工业应用的学习支架。 其亮点在于融合合成氨发展历程（如Haber-Bosch法）渗透科学态度与责任，通过焓变熵变分析、数据表格推理条件选择培养科学思维，结合生产流程实践强化科学探究与实践。采用“历史-理论-实践”逻辑，助学生形成物质转化与能量变化的化学观念，教师可高效开展情境化教学。

第二章 化学反应的方向、限度和速率 2.4 工业合成氨 沪科版2020选择性必修1 工业合成氨的生产流程 2 合成氨适宜生产条件的选择 1 知识导航 1.了解合成氨的发展历程，掌握合成氨反应的特点以及反应条件对反应速率和化学平衡的影响。 2.理解合成氨反应条件选择的依据，掌握合成氨的适宜条件，包括温度、压强、催化剂和浓度等。 3.熟悉合成氨生产的工艺流程，包括原料气的制备、净化除杂、压缩、合成、冷却分离和循环压缩等环节。 4.掌握化工生产中调控反应的一般思路，包括考虑反应的可行性、化学平衡、反应速率、设备可行性和成本核算等方面。 明·学习目标 研究化学反应速率与化学平衡，不仅能加深对化学反应的认识，更可在化工生产、日常生活及科学研究中调控反应——加快并优化所需反应，抑制不利副反应，从而提升产品产质，实现综合效益与化工技术绿色化。 降温以此延长储存时间 刷油漆以此防锈 降低温度以此灭火 引·新课导入 01 合成氨适宜生产条件的选择 下面我们以工业合成氨的生产条件为例来加以讨论。 探·知识奥秘 20世纪 以前 生物固氮 H+，e- ADP 固氮 酶 NH3 ATP 1898年 1909年 德国A.弗兰克等人发现氮能与碳化钙固定而生成氰氨化钙，进一步与过热水蒸气反应即可获得氨(氰化法) 德国化学家Haber用锇催化剂将氮气与氢气在17.5～20MPa和500～600℃下直接合成 1912年 1985年 1990年 Furuya和Yoshiba 考察了26 种无机催化剂在气体 扩散电极上 NRR 产氨的性能 2007年 Gerhard Ertl对人工固氮技术的原理提供了详细的解释 Haber-Bosch法 铁基 催化剂 N2+H2 NH3 Pickett和Talarmin在N2饱和的四氢呋喃溶液中用汞阴极于-2.6V下恒电势电解，首次利用电化学方法还原氮气 合成氨发展历程及重要节点 探·知识奥秘 第一个从空气中制造出氨气的科学家，使人类摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，养活了20亿人，诺贝尔化学奖得主 一战中，任化学兵工厂厂长发明了化学武器(芥子、氯气等) 用于战争，造成近百万人伤亡，是战争魔鬼遭人唾骂 合成氨发展历程及重要节点 天使与恶魔的化身 探·知识奥秘 1908年7月，哈伯在实验室用氮气和氢气在600 ℃、20 MPa下得到了氨，但是产率极低，只有6%。 合成氨发展历程及重要节点 合成氨开端 探·知识奥秘 合成氨的确不容易！100年来，已有三位科学家因研究合成氨获得诺贝尔化学奖。他们当中最早的一位是哈伯，1908年7月，他在实验室用氮气和氢气在600℃、20 MPa下得到了氨，产率只有2%。但这却是工业合成氨的开端。 9 1874年，卡尔·博施生于德国科隆。24岁时毕业于莱比锡大学，获有机化学博士学位。 1908年～1913年，卡尔·博施改进哈伯首创的高压合成氨催化方法，利用氧化铁型催化剂，使合成氨生产工业化，化学上称为"哈伯——博施法"。 1940年，因找到合适的催化剂，使合成氨反应成为工业化，也因此获得诺贝尔化学奖。 合成氨发展历程及重要节点 合成氨工业之父 探·知识奥秘 从合成氨发展历程来看，合成氨过程非常不易，请根据所学内容来思考工业合成氨生产条件的选择? 探·知识奥秘 看上去，在常温下合成氨的化学平衡常数很大，于是早在18世纪末，有人就试图在常温常压下合成氨，也有人在常温加压下进行实验。结果都失败了，看来 合成氨并不容易，那它难在哪？如果是你，你会怎样分析？ 11 根据所学内容，若要把一个化学反应投入生产，针对化学反应而言，需要考虑： 生产的效率问题 产率问题 反应进行的方向 化学反应的速率 化学平衡(限度) 生产的可行性问题 探·知识奥秘 自然固氮 雷电/大气/高能固氮 N2＋O2 2NO 放电或高温 H＝＋180.5 kJ/mol S＝＋247.7 J/(mol∙k) 工业合成氨 人工固氮 N2＋3H2 2NH3 高温、高压 催化剂 H＝－92.2 kJ/mol S＝－198.2 J/(mol∙k) 高温下反应能自发进行 ΔH>0 ΔS>0 低温下反应能自发进行 ΔH<0 ΔS<0 合成氨反应条件与原理分析 理论分析 探究一 判断化学反应进行的方向 探·知识奥秘 N2＋3H2 2NH3 催化剂 高温、高压 N2＋O2 2NO 放电或高温 化学反应 反应温度 平衡常数 25 ℃ 25 ℃ 2000 ℃ 4.1×106 5×10-31 0.1 N2＋O2 2NO 放电或高温 K越大反应进行的越完全。 合成氨反应条件与原理分析 理论分析 探究一 判断化学反应进行的方向 探·知识奥秘 人工固氮 (合成氨法) 从反应进行方向看 G＝H－TS G< 0 从反应限度看 K值较大，反应进行的完全 方案可行(热力学层面) 合成氨反应条件与原理分析 理论分析 探究一 判断化学反应进行的方向 探·知识奥秘 从理论出发，科学家在实验室模拟该实验，研究发现：室温下将氮气、氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气。 反应速率过慢且产氨率较低(动力学层面) 如何改进上述所遇的问题呢? 探·知识奥秘 从理论出发，科学家在实验室模拟该实验，研究发现：室温下将氮气、氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气。 反应速率过慢且产氨率较低(动力学层面) 反应速率 化学平衡 外界条件 改变 增大合成氨的反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 探·知识奥秘 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 增大 升高 增大 加入铁触媒 降低 无影响 增大 增大 根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量? 原理分析 ΔH＝－92.4 kJ/mol N2＋3H2 2NH3 催化剂 高温、高压 合成氨反应条件与原理分析 理论分析 探究二 合成氨条件的选择 探·知识奥秘 分析表中数据，结合合成氨反应的特点，讨论应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量。 数据分析：初始时氮气和氢气的体积比是1∶ 3 不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量(体积分数) 温度 压强 氨的含量/% 0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa 200 ℃ 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 ℃ 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 ℃ 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 ℃ 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 ℃ 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4 探·知识奥秘 数据分析：初始时氮气和氢气的体积比是1∶ 3 不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量(体积分数) 温度 压强 氨的含量/% 0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa 200 ℃ 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 ℃ 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 ℃ 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 ℃ 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 ℃ 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4 分析数据，可知：温度一定，随压强越大，反应速率增大，氨的含量升高 探·知识奥秘 数据分析：初始时氮气和氢气的体积比是1∶ 3 不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量(体积分数) 温度 压强 氨的含量/% 0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa 200 ℃ 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 ℃ 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 ℃ 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 ℃ 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 ℃ 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4 分析数据，可知：压强一定，随温度升高，反应速率增大，氨的含量逐渐降低 探·知识奥秘 结论 升高温度、增大压强可以使合成氨的反应速率增大，化学平衡向生成氨的方向移动。 降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，提高平衡混合物中氨的含量。 降低温度会导致反应速率减小 若温度太高，催化剂活性会减弱 压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高 合成氨反应条件与原理分析 理论分析 探·知识奥秘 那么，在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢? 探·知识奥秘 压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大 图像分析 ——压强 大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益 原理分析 实验数据 表明 合成氨时压强越大越好 合成氨反应条件与原理分析 理论分析 探究二 合成氨条件的选择 合成氨厂一般采用的压强为20 MPa~50 MPa 探·知识奥秘 100 80 60 40 20 0 氨的物质的量的含量(%) 100 80 60 40 20 压强 /MPa 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃ 700℃ 探·知识奥秘 图像分析 ——温度 实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃ 平衡移动原理 温度降低则反应速率减小，达到平衡所需时间变长，工业生产中很不经济 采用低温 提高平衡转化率 合成氨反应条件与原理分析 理论分析 探究二 合成氨条件的选择 Fe2O3(54% ~68%)FeO(29%~36%)Al2O3(2%~4%)K2O(0.5%~0.8%)、 CaO(0.7% ~ 2.5%) ，还含有SiO2、MnO2 等。 探·知识奥秘 图像分析 ——浓度 NH3的体积分数/% 0 1 2 3 4 5 6 10 20 30 40 50 60 氢气和氮气的体积比 初始时氢气和氮气的体积比是3∶ 1 促使化学平衡正向移动，提高氨的产量 NH3的体积分数最大 从原料成本来看，氢气的价格要比氮气的价格高，思考：如何提高氨气的产量? 增大 氮气浓度 液化氨气及时从混合物中分离出去 合成氨反应条件与原理分析 理论分析 探究二 合成氨条件的选择 实际生产中维持氢氮比为 2.8 ～ 2.9 探·知识奥秘 温度：400~500℃ 压强：20 MPa~ 50 MPa 催化剂：铁催化剂 浓度：增大氮气浓度、液化氨气 (反应速率较快、催化剂活性较大) (反应速率较快、平衡正向移动) (反应速率较快，缩短到达平衡时间) N2＋3H2 2NH3 催化剂 高温、高压 (反应速率较快、提高氢气的转化率) 合成氨的适宜条件 归纳总结 探·知识奥秘 【典例1】工业上通常采用铁触媒、在400～500℃和10MPa～30MPa的条件下合成氨。合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ∆H＝－92.4 kJ·mol－1。下列说法正确的是 A．N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)的∆S＞0 B．采用400～500℃的高温是有利于提高平衡转化率 C．采用10MPa～30MPa的高压能增大反应的平衡常数 D．使用铁触媒可以降低反应的活化能 D 析·典型范例 02 工业合成氨的生产流程 氮气 氢气 CH4＋H2O(g) CO＋3H2 高温 CO＋H2O(g) CO2＋H2 高温 催化剂 ——生产成本低 ——生产成本高 工业合成氨的生产流程 造气 方法一 将空气液化、蒸发，分离出氮气 将空气中的氧气跟碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳，得到氮气 方法二 (用水、煤、天然气、石油等为原料制得) 以天然气为原料制取氢气，反应可简单表示为： 探·知识奥秘 物质、能量交换 造气→净化除杂→压缩→合成→冷却分离→循环压缩 液态NH3 干燥 净化 N2+H2 N2+H2 防止催化剂中毒 增加原料利用率 N2+H2经过循环反应，可全部转化为NH3 压缩机加压 10MPa~30MPa N2+H2 热交换 N2+H2 铁触媒 400~500℃ N2+H2 NH3+N2+H2 NH3+N2+H2 冷却 工业合成氨的生产流程 生产流程 探·知识奥秘 工业合成氨的生产流程 合成氨工业生产流程图 探·知识奥秘 合成氨发展历程及重要节点 20世纪 以前 生物固氮 H+，e- ADP 固氮 酶 NH3 ATP 1898年 1909年 德国A.弗兰克等人发现氮能与碳化钙固定而生成氰氨化钙，进一步与过热水蒸气反应即可获得氨 德国化学家Haber用锇催化剂将氮气与氢气在17.5～20MPa和500～600℃下直接合成 1912年 1985年 1990年 Furuya和Yoshiba 考察了26 种无机催化剂在气体 扩散电极上 NRR 产氨的性能 2007年 Gerhard Ertl对人工固氮技术的原理提供了详细的解释 Haber-Bosch法 铁基 催化剂 N2+H2 NH3 Pickett和Talarmin在N2饱和的四氢呋喃溶液中用汞阴极于-2.6V下恒电势电解，首次利用电化学方法还原氮气 探·知识奥秘 更加节能、降低成本 中科院大连化学物理研究所研究团队研制合成了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350 ℃、1 MPa 2016年 合成氨发展历程及重要节点 探·知识奥秘 可行性 化学平衡 反应速率 设备可行 成本核算 反应条件 确定反应 原理分析 实验摸索 明确目的 化工生产中调控反应的一般思路 探·知识奥秘 大家回顾一下咱们是怎么一步步寻找到工业合成氨的适宜条件的，由此我们可以初步归纳出化工生产中调控反应的一般思路。首先要选取一个恰当的反应。工业固氮我们选取了合成氨。 36 【典例1】1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大太满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下图是合成氨生产流程示意图，下列说法不正确的是 A．“干燥净化”可以防止催化剂中毒 B．“压缩机加压”既提高了原料的转化率又加快了反应速率 C．“冷却”提高了原料的平衡转化率和利用率 D．“铁触媒”在生产过程中需使用外加热源持续加热 D 析·典型范例 热力学第三定律描述的是：热力学系统的熵在温度趋近于绝对零度时趋于定值。而对于完整晶体(所谓“完美晶体”是指没有任何缺陷的规则晶体)，这个定值为零。 该定律认为，当系统趋近于绝对温度零度时，系统等温可逆过程的熵变化趋近于零。 瓦尔特·能斯特 热力学第三定律 迁·拓展延伸 1.下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应,在低温或常温时可自发进行 B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成 C.合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最高 D.N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成 A 练·技能实战 2.某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g) M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　) A.工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成 B.若物质B廉价易得，工业上一般采用加入过量的B的方式来提高A和B的转化率 C.工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高 D.工业生产中使用催化剂可提高M的日产量 D 练·技能实战 3.如图所示为接触法制硫酸的设备和工艺流程,其中关键步骤是SO2的催化氧化:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0。下列说法正确的是(　　) D A.反应后气体分子数减少，增大反应容器内压强一定有利于提高生产效益 C.工业生产要求高效，为加快反应速率，应使用催化剂并尽可能提高体系温度 D.沸腾炉流出的气体必须经过净化，并补充适量空气，再进入接触室 B.反应放热，为提高SO2转化率,应尽可能在较低温度下反应 练·技能实战 4.中国科学家在合成氨[N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0]反应机理的研究中取得新进展,首次报道了LiH-3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理,如图所示。下列说法不正确的是(　　) A.转化过程中有非极性键的断裂与形成 B.复合催化剂降低了反应的活化能 C.复合催化剂能降低合成氨反应的焓变 D.低温下合成氨，能提高原料的平衡转化率 C 练·技能实战 5.常压下羰基化法精炼镍的原理为Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g)。230 ℃时，该反应的平衡常数K=2×10-5。已知:Ni(CO)4的沸点为42.2 ℃，固体杂质不参与反应。 第一阶段:将粗镍与CO反应转化成气态Ni(CO)4； 第二阶段:将第一阶段反应后的气体分离出来，加热至230 ℃制得高纯镍。 下列判断不正确的是(　　) A.该反应达到平衡时，v分解[Ni(CO)4]=4v消耗(CO) B.第一阶段应选择稍高于42.2 ℃的反应温度 C.第二阶段，230 ℃时Ni(CO)4分解率较高 D.其他条件不变，增大c(CO)，平衡正向移动，该反应的平衡常数不变 A 练·技能实战 2.4 工业合成氨 化工生产中调控反应的一般思路 合成氨反应条件与原理分析 合成氨发展历程及重要节点 探究一： 判断化学反应进行的方向 探究二：合成氨条件的选择 探究二：合成氨条件的选择 合成氨生产 的工艺流程 原料气的制备 生产流程 理·核心要点 我们小结一下今天的研究思路，要完成化学反应的调控，首先要明确研究目的，针对目的进行可行性研究，确定具体的反应，接下来从理论（化学平衡和化学反应速率）和实践两个层面寻找反应适宜的条件。当然这个条件不是一成不变的，会随着技术、理论的发展不断改进，越来越优，更加环保、低成本是我们一直追求的目标。总之，化学反应的调控，就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 今天的学习就到这里，同学们再见！ 44 感谢 您的聆听 THANKS 沪科版2020选择性必修1 $$