课件：2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨 鲁科版高中化学选修四.pptx

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1、普通高中课程标准实验教科书 化学反应原理（选修四）,第二章 化学反应的方向、限度与速率,第四节 化学反应条件的优化-工业合成氨,【学习目标】w%wwcom 1通过对实验数据的分析，了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件； 2通过了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异； 3通过对合成氨适宜条件的分析和优化，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。,弗里茨哈伯与合成氨,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

2、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-铁，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。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。,弗里茨哈伯：,【思考】 1、为什么要优化反应条件？ 2、优化考虑哪些因素的影响？如何最 优化？ 实际条件的选择和理论有哪些同 异点？,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

3、等,1、反应的可能性 2、反应的限度 3、反应的速度 4、工业的成本和安全性,【课前检测】 1. 课堂检测（2） 2. 完成下表.,生成物氨的浓度,反应物的浓度,催化剂,温度,压强,速率分析,使NH3生产得快,外界条件,高压,高温,使用,增大浓度,减小浓度,平衡分析,使NH3生产得多,高压,低温,无影响,增大浓度,减小浓度,设疑自探,根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(P68),适宜温度 700K左右,使用铁触媒作催化剂,N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去,设疑自探,【交流研讨】,合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g

4、),已知298K时: H= -92.2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1 Ea=335kJ mol-1请： 1.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？,2.请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。 （298K下合成氨反应的平衡常数K为.（molL-1)-2,书P65,【交流研讨】,请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成结合实验数据是否与理论分析一致？,书P65,1. 298K时合成氨反应能自发进行。 2. 降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动； N2、H2体积比为1：3时平衡混合物中氨的含量最高。,小结（合成氨反应

5、的方向和限度）,已知：1、合成氨反应的速率公式： v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3) 2、催化剂对合成氨反应速率的影响,交流研讨,怎样提高合成氨反应的速率？,1.升高温度 2.增大压强 3.增大反应物浓度 4.使用催化剂,5.增大N2H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。,合成氨的适宜条件的选择,生成物氨的浓度,反应物的浓度,催化剂,温度,压强,速率分析,使NH3生产得快,外界条件,高压,高温,使用,增大浓度,减小浓度,平衡分析,使NH3生产得多,高压,低温,无影响,增大浓度,减小浓度,小结：,【交流研讨】,1、既然增大压强既可提高反应

6、速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？,压强怎么定？,2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？,3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？,温度怎么选择？,要不要用催化剂？,1、压强怎么选？,分析： 合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。 但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。,综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在200500

7、大气压之间。,2、温度怎么选择？,分析： 因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正 向移动。,可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长， 因此温度也不宜太低。,催化剂要在一定温度下催化活性最大。,综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。,3、用不用催化剂？,实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。,分析: 经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，单位时间的产量要高。,4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？,增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，

8、在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。,实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1：2.8,（阅读书本68页）,研讨的结果,根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强,适宜温度 700K左右,使用铁触媒作催化剂,N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去,【总结】,工业上利用某可逆反应生产产品： 一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；

9、选择合适的温度：一般选择催化剂活性最大的温度； 选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。,【小结】,二、合成氨工业简介(P69) 1、合成氨工业的流程 原料气的制取净化压缩合成分离液氨,N2 H2,原料气的制取,N2：液化空气，蒸发分离出氮气,H2：用水(含氢的天然气等）和燃料在高温下制取。如：,C + H2O（g） CO+H2， CO+H2O（g） CO2+H2,(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是_。 (2)实际生产中，选定400500 作为操作温度，其原因是_。 (3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是_。 (4)在生产中，通入过量空气的目的是_。 (5)尾气中有SO2必须回收是为了_。,【教学后记】 1.本节课为完整内容的一节课，24张幻灯片。（太多）但在先学后教，以学定教的情景下，以设疑自探为引导，对预习后存在的问题在PPT中以超级链接的方式做到以学定教。 2.优点：以学定教，容量大效率高。 缺点（1）对部分预习不到位的同学是一个弱点，他们通过这节课学不到一系列连贯的知识和能力。（2）会不会消弱了过程中的分析研讨能力（比如：对P66 图2-4-3 表2-4-1 的分析能力？）有待论证。,