【鼎尖教案】高中化学(大纲版)第二册第二章化学平衡第四节合成氨条件的选择(备课资料).pdf

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1、 备课资料 一、回顾合成氨催化反应 20 世纪初最惊心动魄的化学反应莫过于合成氨反应，当时合成氨反应对世界的震撼力不亚于现今的“超导材料”和“碳 60”。在世纪之交的关键时刻，回顾本世纪最重要的化学反应之一合成氨反应，对学习化学反应、理解化学反应、实践化学反应和发现化学反应都是非常有益的。在 19 世纪人们就知道合成氨反应在热力学上是可行的，寻找合适的催化剂是化学工作者的迫切任务。因此从两河流域到欧洲平原，从西奈半岛到非洲全境，从喜马拉雅山脉北麓到东海之滨广袤的土地上最需要的就是水分和氨肥。1909年 7 月 2 日 Fritz Haber领导的研究小组首次用金属锇粉作催化剂，在高温高压设备中

2、成功地生产出 90 克氨，全世界为之震惊。BASF（Badische Anilin und Soda Fabrik）公司为了开发合成氨催化剂，抢先预订了全世界所有金属锇的购买权，总量约达 100 kg。出巨资资助此项研究工作。这足以看出当时 BASF公司为开发合成氨催化剂决心之大、信心之足、心情之迫切。随后时间不长，Haber被推选担任在柏林新建立的物理化学与电化学研究所所长，他不得不停止在合成氨领域的开创性工作，从而使他获得了 1919年的诺贝尔化学奖。紧接着，BASF公司把研究合成氨催化剂的工作交给了 Alilin Mittasch。他并没有一头扎进实验室，而是对过去的实验数据进行了全面的

3、分析，对几百种试验的催化剂进行了分类和总结。竟然大胆地冲破许多理论权威的思想束缚，提出了一个未经证明的科学假设：1.寻找合适的催化剂，必须用相当多的元素和大批添加剂进行实验。2.催化反应要像哈伯的实验一样，必须在高温和高压条件下进行。3.需要进行极大量的成套试验。他们的研究队伍依据这样的理论假设，着手实验。从 1909年到 1912年的短时间内，完成的实验量是惊人的，在 2500个不同的催化剂上大约进行了 6500次试验，试验的次数超过了一万次，完成 4000多个不同体系的研究工作。与此同时，全世界至少有 30 多个国家，几百个研究机构也都进行寻找和开发合成氨催化剂的研究工作。真可谓是如火如荼

4、的时代。然而，以贵金属（金属锇等）为主催化剂，再添加其他化合物或元素的研究工作成效不大。根据 Mittasch的假设，有人建议用天然矿石作催化剂试验，因为合成氨反应是高温高压下进行，有还原性气氛（H2），就可使矿石中金属氧化物发生还原反应生成多种金属的复杂物质可能会有催化性能。真是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫”，在大量试验矿石的过程中，发现瑞典磁铁矿得到相当满意的氨产量。经过化学分析瑞典磁铁矿和进一步验证，发现最好的催化剂就是纯铁和百分之几的氧化铝，少量的钾碱和石灰熔合，其组成与瑞典磁铁矿相近。现在全世界所有的合成氨催化剂都是依据这个发现制备的，只是性能和结构更趋于稳定和优良。在 1913

5、年 9 月 9 日实现了氨生产的工业化，兴建的装置是用 285 mm 直径的反应器，催化剂体积 90 L，在 200 Pa压力下运转，起始氨的日产量只有 3 t 5 t，但是生产量逐步增加，以致到 1917年由 Haber-Bosch生产过程所生产的氨年产量已超过 60000 t。人们对合成氨反应的研究堪称世界第一反应。时至今日仍然有许多科学家对合成氨催化剂结构、性能、反应动力学做更深入的研究工作。在化学界把合成氨反应已看成经典反应，任何一个催化新理论，任何一个催化动力学模型，任何一个化学反应新概念，都要用合成氨反应来检验和证明。今天，回顾合成氨反应的这一段历史，缅怀为开发合成氨反应的先驱们那

6、种百折不挠的精神，以对我们的学习和工作有所帮助。（摘自中学化学教学参考1999年 7 8 期 作者：张虎勤）二、化学反应速率和化学平衡在工业生产中的应用 化学反应速率的快慢是关系到能否将化学反应应用于生产的一个很重要的因素，因此化工生产上总是研究采用最合适的条件。提高反应速率，强化生产过程。例如空气中氮的固定(转化为化合态氮)，N2、02可化合成NO，但是反应条件不合适,反应速率极慢，没有实际意义。NO和CO都是空气污染物，它们之间可以发生反应生成无毒害的CO2和N2，但是反应速率太慢,以至于它们能共存于大气之中,共同为害。解决NO、CO转化为CO2和N2，消除由其带来的污染必须解决的问题，仍

7、然是增大反应速率。石油中大量存在甲基环己烷(C7H14)，在高温、低压下可分解为重要的国防工业原料一一甲苯(C7H8)，但是反应进行得很慢，直到找到了有效催化剂后才投入生产。化学平衡是研究在工业生产上,如何以最少的原料和能量尽可能得到最多产量。例如硫酸工业的关键反应,2SO2+02 2S03。反应是可逆的，S02不可能百分之百转化为S03。升高温度和增压有利于提高反应速率,但是温度过高时SO3分解,对SO2的转化不利。增大压力意味着对设备要求高，投资大,耗能多。反应需要高温，同时反应又放出热量,热量聚集到一定程度对SO2转化有害。为了强化生产过程、节约能源、降低成本,聪明的技术人员采取增大空气

8、用量(即是O2)、利用反应放出的热量预热SO2和空气的混合气、控制适当高温并采用合适催化剂等措施。在常压下居然将SO2的转化率提高到95以上,达到了以最少原料和能量获得最多产品的目的。在化学反应速率和化学平衡的研究领域里。别凯托夫(1865年)、古德贝格和伐格(1867年)、勒夏特列（1888年）等科学家都作出了很大贡献。综合能力训练 1已知反应：A(g)+3B(g)2C(g)，正反应为放热反应，下图中a、b表示在一定条件下气体C的体积分数随时间变化的情况。若使曲线b变为a，可采取的措施是()A增大B的浓度 B升高温度 C缩小容器的体积 D加入催化剂 答案：D 2已建立化学平衡的可逆反应A(g)+B(g)3C(g)，改变条件，使化学平衡向正反应方向移动，有关的正确叙述是()A.生成物的百分含量一定增大 B生成物的产量一定增加 C反应物的转化率都增大 D.生成物的浓度一定增大 答案：B 3近年来，某些自来水厂在用液氯对水进行消毒处理时，还加入少量液氨延长液氯的杀菌时间，其反应的化学方程式为：NH3+HCl0 H20+NH2Cl，NH2Cl较稳定。试分析加液氨能延长液氯杀菌时间的原因：_。答案：可逆反应 NH3+HClO H20+NH2Cl 将不稳定的 HClO置于一个动态的化学储存状态，不用则储存，需用则释出 C%O