4、化学反应条件的优化——工业合成氨(精品).pptx

鲁科版高中化学选修鲁科版高中化学选修4 4化学反应原理第二章第四节化学反应原理第二章第四节 化学反应条件的优化化学反应条件的优化工业合成氨工业合成氨 亳州十八中 高二化学组 张红岩 第一次世界大战爆发后第一次世界大战爆发后,英国从海上完英国从海上完全封锁了与之为敌的德国全封锁了与之为敌的德国,硝石不能从智利硝石不能从智利进口了进口了.农田没有肥料农田没有肥料,就会缺粮食就会缺粮食;缺乏硝酸缺乏硝酸就会缺少炸药就会缺少炸药,德国就会投降德国就会投降.可是两年过去可是两年过去了，了，1916年德国的农田仍一片葱绿年德国的农田仍一片葱绿,前线的前线的炮火反而更加猛烈了炮火反而更加猛烈了.这是怎么回事这是怎么回事?是谁创是谁创造了这个奇迹呢造了这个奇迹呢?回顾一段历史回顾一段历史 早在19世纪以前，为了满足人们对氮肥，含氮的化合物日益增长的需求，英国物理学家克鲁克斯率先发出了“向空气中要氮肥向空气中要氮肥”的号召哈伯实验室合成氨实验室合成氨,1918年诺贝尔化学奖博施实现工业合实现工业合成氨成氨，1931年诺贝尔化学奖克鲁克斯回顾一段历史回顾一段历史 弗里茨弗里茨.哈伯：德国化学家，出生于一个犹太富哈伯：德国化学家，出生于一个犹太富商家中。商家中。1900年获得博士学位。年获得博士学位。1908年年7月首次合成月首次合成氨气，氨气，1909年年7月建成每小时生产月建成每小时生产90克氨气的实验装克氨气的实验装置，置，1918年获得诺贝尔化学奖。年获得诺贝尔化学奖。“用空气制造面包用空气制造面包的圣人的圣人”、“合成氨之父合成氨之父”他在他在1914年研制生产了硝酸铵和黄色炸药年研制生产了硝酸铵和黄色炸药TNT，解决了德军的军火问题。解决了德军的军火问题。在在1915年年1月，首次将氯气用于战场，后来又研制出月，首次将氯气用于战场，后来又研制出了剧毒气体光气用于战场。了剧毒气体光气用于战场。首创了使用化学首创了使用化学毒剂的化学战，在第一次世界大战中有毒剂的化学战，在第一次世界大战中有130万万人受到化学战的伤害，其中人受到化学战的伤害，其中9万人死亡。万人死亡。“现代化学战之父现代化学战之父”回顾一段历史回顾一段历史 毁誉参半的哈伯（毁誉参半的哈伯（“天使天使”与与“恶魔）恶魔）哈伯【哈伯哈伯实验室合成氨的条件实验室合成氨的条件】N2(g)+3H2(g)2NH3(g)该反应能不能发生，在什么样的条该反应能不能发生，在什么样的条件下能更快、更多的获取氨气？件下能更快、更多的获取氨气？【交流交流研讨研讨】1.常温下，氮气和氢气有可能合成氨气吗？常温下，氮气和氢气有可能合成氨气吗？2.若想提高氨在平衡混合气中的含量，可以采若想提高氨在平衡混合气中的含量，可以采取哪些措施？取哪些措施？3.哪些措施能够加快氮气、氢气合成氨的反应哪些措施能够加快氮气、氢气合成氨的反应速率？速率？反应方向反应方向反应限度反应限度反应速率反应速率1.反应方向：反应方向：298K时，时，H-TS 0 反应能自发进行反应能自发进行 298K时，时，K=4.1106(molL-1)-2【哈伯哈伯实验室合成氨的条件实验室合成氨的条件】哈伯交流研讨（P65页）请根据正反应的焓变和熵变分析在请根据正反应的焓变和熵变分析在298K下合成氨反应能否自发进行？下合成氨反应能否自发进行？已知：已知：298K时时，H=92.2kJmol-1 S=198.2JK-1mol-12.反应限度：反应限度：合成氨反应的特点是什么？合成氨反应的特点是什么？（1）反应）反应 可逆反应。可逆反应。（2）正反应是）正反应是 热的。热的。（3）正反应是气体体积）正反应是气体体积 的反应。的反应。采取哪些措施有利于提高合成氨反应的限度？采取哪些措施有利于提高合成氨反应的限度？（1）温度；（温度；（2）压强；压强；（3）增大）增大 浓度，减小浓度，减小 浓度浓度哈伯【哈伯哈伯实验室合成氨的条件实验室合成氨的条件】N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.2KJmol-1是是放放减小减小降低降低增大增大氮气、氢气氮气、氢气氨气氨气哈伯【哈伯哈伯实验室合成氨的条件实验室合成氨的条件】3.反应速率反应速率合成氨反应速率与反应物浓度关系：合成氨反应速率与反应物浓度关系：=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)条件条件 E/kJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700K)使用使用Fe催化剂催化剂167（1）温度；温度；（2）压强；压强；（3）增大）增大 浓度，减小浓度，减小 浓度。浓度。（4）催化剂催化剂升高升高增大增大使用使用可增大合成氨反应速率的措施可增大合成氨反应速率的措施氮气、氢气氮气、氢气氨气氨气生成物氨气的浓度生成物氨气的浓度反应物的浓度反应物的浓度催化剂催化剂温度温度压强压强使使NH3生产快生产快使使NH3产率高产率高外界条件外界条件高压高压高压高压低温低温高温高温使用使用无影响无影响增大浓度增大浓度增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度减小浓度减小浓度小结小结矛盾平衡分析平衡分析速率分析 压强怎么选？压强怎么选？用不用催化剂？用不用催化剂？温度怎么选择？温度怎么选择？转化率仍不够大，还可采转化率仍不够大，还可采取什么办法？取什么办法？【资料一】锇是一种贵重金属，储量较少，开发成本高，粉末状的金属锇，常温下会逐渐氧化成四氧化锇。四氧化锇在48时熔化，在130时沸腾。锇蒸汽有剧毒，强烈刺激人眼黏膜，严重会造成失明。【资料二】高温高压条件下，氢气会使钢脱碳，导致氢腐蚀，使钢的机械性能下降，氢气会渗透到钢材内部，使钢材出现裂纹。【资料三】当氮气与氢气体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高，但是氮气在催化剂上吸附是反应中最难发生的步骤，是影响反应速率的关键步骤。【资料四】合成氨出气口氨的含量较低，原料不能得到充分利用。博施【博施团队工业合成氨适宜条件】寻找合适的催化剂，降低成本制造耐高温高压设备调整氮、氢比例使未反应气体循环利用工业生产要注重：原料易得，成本低，利用率高，生产效率高等博施【博施团队工业合成氨适宜条件】【交流研讨】1.为什么不尽可能使用更高的压强？2.为什么反应温度控制在700K左右？3.为什么氮气与氢气物质的量之比是1:2.8而不是1:3催化剂Fe在700K时催化活性最强【实验室合成氨的条件实验室合成氨的条件】温度温度压强压强催化剂催化剂浓度浓度4502107Pa金属锇金属锇使氮气氢气循环，使氮气氢气循环，分离出氨气分离出氨气反应速率，反应限度反应速率，反应限度催催化化剂剂活活性性钢钢材材质质量量及及综综合合指指标标成成本本实实际际反反应应情情况况温度温度压强压强催化剂催化剂浓度浓度700K107-108Pa铁触媒铁触媒氮气氢气物质氮气氢气物质的量之比的量之比1:2.8【课堂小结课堂小结】哈伯博施【工业合成氨适宜条件工业合成氨适宜条件】工业生产需要工业生产需要启示：启示：1.理论必须与实践相结合。理论必须与实践相结合。2.工业生产要追求效益最大化。工业生产要追求效益最大化。1.关于合成氨的反应，下列说法正确的是（）A温度越高，反应速率越快，所以合成氨反应的温度越高越好 B压强越大合成氨反应速率越大，工业上不采用过高的压强主要是考虑反应的限度问题 C使用催化剂可以提高单位时间内氨气的产量 D浓度越大，反应速率越快，所以不必把氨从混合物中分离出来【巩固练习】C2.根据二氧化硫催化氧化为三氧化硫的反应特点和下表数据，选择工业上制硫酸中二氧化硫接触氧化的适宜条件。（1）2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）H0（2）温度和压强对二氧化硫的平衡转化率的影响 （1）应该选用的温度是：。（2）应该采用的压强是：；理由是：压强/Mpa转化率%温度/0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.40.1MPa时SO2的转化率已经很高，采用更高的压强，转化率提高不大，对设备要求高，增加成本4000.1MPa【迁移应用】【作业】1.完成学案达标检测2.查阅资料，了解工业合成氨的历史。