化学 第2章 化学反应的方向、限度与速率 2.4 化学反应条件的优化-工业合成氨 鲁科版选修4 .ppt

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1、 第第4 4节：化学反应条件的优化节：化学反应条件的优化工业合成氨工业合成氨第二章第二章：化学反应方向，限度与速率：化学反应方向，限度与速率激激 情情 巩巩 固固：n化学反应速率的定义？化学反应速率的定义？n影响化学反应速率的因素有哪些？影响化学反应速率的因素有哪些？n什么是化学平衡？什么是化学平衡？n化学平衡的特点？化学平衡的特点？n什么是化学平衡的移动？什么是化学平衡的移动？n影响化学平衡的因素有哪些？影响化学平衡的因素有哪些？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

2、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?-以费里兹以费里兹哈伯为首的哈伯为首的一批德国科学家一批德国科学家,二十世纪初就研究固氮二十世纪初就研究固氮,利利用空气、水和煤为原料用空气、水和煤为原料,生产氢和氮生产氢和氮,再把氮再把氮气和氢气制成了氨气和氢气制成了氨.他们为寻找合成氨的催他们为寻找合成氨的催化剂和适宜条件化剂和适宜条

3、件,曾花费了不知多少个春秋曾花费了不知多少个春秋,终于获得成功终于获得成功.合成氨的发现史弗里茨弗里茨.哈伯：德国化学哈伯：德国化学家，出生于一个犹太富商家家，出生于一个犹太富商家中。中。1900年获得博士学位。年获得博士学位。1908年年7月首次合成氨气，月首次合成氨气，1909年年7月建成每小时生产月建成每小时生产90克氨气的实验装置，克氨气的实验装置，1918年年获得诺贝尔化学奖。获得诺贝尔化学奖。哈伯首创了使用化学毒哈伯首创了使用化学毒剂的化学战，在第一次世界剂的化学战，在第一次世界大战中有大战中有130万人受到化学战万人受到化学战的伤害，其中的伤害，其中9万人死亡。万人死亡。请同学们

4、写出合请同学们写出合成氨的化学反应方程成氨的化学反应方程式式,并说明这个反应并说明这个反应有什么特点有什么特点?N2+3H2 2NH3 H0可逆反应可逆反应正反应为放热反应正反应为放热反应正反应为体积缩小方向正反应为体积缩小方向假如你是一位化工厂的假如你是一位化工厂的厂长厂长,对畅销产品的生产对畅销产品的生产效率、成本有何要求效率、成本有何要求?基本要求：基本要求：a、反应快、单位时间内产量高、反应快、单位时间内产量高 （速率）（速率）b、原料利用率高、成本低、原料利用率高、成本低 （平衡）（平衡）1.从速率角度分析：从速率角度分析：合成氨反应合成氨反应合成氨反应合成氨反应 NN2 2+3H+

5、3H2 2 2NH2NH3 3（正反应放热）（正反应放热）（正反应放热）（正反应放热）分析角度分析角度分析角度分析角度反应条件反应条件反应条件反应条件化学反应速率化学反应速率化学反应速率化学反应速率化学平衡化学平衡化学平衡化学平衡浓浓浓浓 度度度度压压压压 强强强强温温温温 度度度度催化剂催化剂催化剂催化剂增大增大N2、H2浓度浓度高高 压压使使 用用高高 温温 2，请分析下表，结合，请分析下表，结合化学平衡化学平衡的知识，从有的知识，从有利于氨生成、分析合成氨的合适条件。利于氨生成、分析合成氨的合适条件。N2+3H2 2 NH3（正反应放热正反应放热）压强压强氨含量氨含量氨含量氨含量温度温度

6、合成氨反应合成氨反应合成氨反应合成氨反应 NN2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3（正反应放热）（正反应放热）（正反应放热）（正反应放热）分析角度分析角度分析角度分析角度反应条件反应条件反应条件反应条件化学反应速率化学反应速率化学反应速率化学反应速率化学平衡化学平衡化学平衡化学平衡浓浓浓浓 度度度度增大增大N2、H2浓度浓度压压压压 强强强强高压高压温温温温 度度度度高温高温催化剂催化剂催化剂催化剂使用使用减小减小NH3浓度浓度无无 影影 响响低低 温温高高 压压2.从平衡角度分析从平衡角度分析A.从反应速率的角度看：从反应速率的角度看：增大反应物浓度、增大反应物浓度、压强越大、压强越

7、大、温度越高，温度越高，使用催化剂；使用催化剂；均可使反应加快、均可使反应加快、提高单位日产量提高单位日产量B.从化学平衡的角度看：从化学平衡的角度看：减小生成物浓度减小生成物浓度 高压、高压、低温，低温，均可使平衡时均可使平衡时NH3含含量高、量高、N2、H2转化率高转化率高结结 论论 1.压强是否越大越好？压强是否越大越好？2.是否温度越低越好？是否温度越低越好？3.要不要要不要使用催化剂呢？使用催化剂呢？讨论讨论 N2+3H2 2NH3(放热反应放热反应)1、压强怎么选？、压强怎么选？分析分析：合成氨反应是体积缩小的气体合成氨反应是体积缩小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又反应，

8、增大压强既可以增大反应速率，又能提高平衡混合物中氨的含量，所以理论能提高平衡混合物中氨的含量，所以理论上压强越大越好。上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求高、压但是压强越大，对设备的要求高、压缩缩H2和和N2所需要的动力大，因此压强也不所需要的动力大，因此压强也不宜过高。宜过高。综合以上两点，实际生产中压强一般综合以上两点，实际生产中压强一般选择在选择在20MPa-50MPa之间。之间。2、温度怎么选择？、温度怎么选择？a.因为正反应方向是放热的反应，所因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于提高平衡混合物中氨的以降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量。含量。b.可是温度越低，反应

9、速率越小，达可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。宜太低。综合以上因素，实际生产中温度一般综合以上因素，实际生产中温度一般选择在选择在500左右。左右。3、用不用催化剂？、用不用催化剂？使用催化剂能否提高合成氨的转化率使用催化剂能否提高合成氨的转化率？使用催化剂对反应速率有何影响？使用催化剂对反应速率有何影响？实际生产中选用铁为主体的多成分催化实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在剂（铁触媒），它在500时活性较高。时活性较高。4、浓度怎么定？、浓度怎么定？增大反应物的浓度可以增大反应速率，增大反应物的浓度可

10、以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。因此可以用保持一定的氮、氢浓度，减少因此可以用保持一定的氮、氢浓度，减少氨气的浓度的方法，提高合成氨的效率和氨气的浓度的方法，提高合成氨的效率和产量。产量。实际生产中的处理方法：实际生产中的处理方法：及时将气态氨及时将气态氨冷却液化而分离出去；及时补充氮气和氢冷却液化而分离出去；及时补充氮气和氢气，气，使其保持一定的浓度。使其保持一定的浓度。结论：工业上合成氨的合适条件到底怎样？结论：工业上合成氨的合适条件到底怎样？还应结合实际综合考虑如下：还应结合实际综合考虑如下：选择合适的温度：选择合适的温度：一般一般

11、500左右，该温度是为合左右，该温度是为合成氨催化剂的活性温度；成氨催化剂的活性温度；合成氨的适宜条件选择合适的压强：选择合适的压强：一般一般20MPa50MPa，该压强下，该压强下进行生产，对动力、材料、设备等正合适；进行生产，对动力、材料、设备等正合适；使用催化剂：使用催化剂：虽不影响平衡含量（转化率），但虽不影响平衡含量（转化率），但可大大加快反应速率，提高生产效率和经济效益可大大加快反应速率，提高生产效率和经济效益.及时分离出及时分离出NH3，并不断补充，并不断补充N2和和H2：既增大了既增大了速率，又有利于提高转化率；速率，又有利于提高转化率；1.合成氨分几个阶段进行合成氨分几个阶段

12、进行?2.N2取自于什么物质取自于什么物质?3.H2又来源于哪里又来源于哪里?合合 成成 氨氨 工工 业：业：原料气的制取原料气的制取净化净化压缩压缩合成合成分离分离 N2 H2三、合成氨工业简介：三、合成氨工业简介：1、合成氨工业的流程、合成氨工业的流程液氨液氨 原料气的制取原料气的制取 N2：液化空气，蒸发分离出氮气：液化空气，蒸发分离出氮气 H2：用水和燃料在高温下制取。如：用水和燃料在高温下制取。如：C+H2O（g）CO+H2CO+H2O（g）CO2+H2 三、合成氨工业简介：三、合成氨工业简介：1、合成氨工业的流程、合成氨工业的流程原料气的制取原料气的制取净化净化压缩压缩合成合成分离

13、分离 N2 H2液氨液氨四、合成氨工业的发展前景：四、合成氨工业的发展前景：n耐高压的材料耐高压的材料n新型催化剂的催化合成新型催化剂的催化合成n化学模拟生物固氮化学模拟生物固氮1.合成氨反应中，使用催化剂的最合成氨反应中，使用催化剂的最主要的理由是（主要的理由是（）。）。（A）使平衡向正反应方向移动）使平衡向正反应方向移动 （B）没有催化剂该反应不能发生）没有催化剂该反应不能发生（C）使化学反应速率增大）使化学反应速率增大 （D）遏止逆反应的发生）遏止逆反应的发生C巩固练习：巩固练习：2合成氨时采用合成氨时采用500左右的温度左右的温度进行，主要是因为在该温度进行，主要是因为在该温度()A合成氨的化学反应速率合成氨的化学反应速率BN2的转化率最高的转化率最高C催化剂的活性最大催化剂的活性最大DNH3在平衡混合气体中的在平衡混合气体中的 体积分数最大体积分数最大C3.能使合成氨反应进行程度增大能使合成氨反应进行程度增大 的方法的方法()A升高温度升高温度B降低压强降低压强C使用催化剂使用催化剂D及时分离出及时分离出NH3D4合成氨时，既要使合成氨时，既要使N2、H2的转化率的转化率增大，又使反应速率增快，可采取的办增大，又使反应速率增快，可采取的办法是法是 (）A不断充入不断充入N2 H2 B升高温度升高温度 C增大压强增大压强 D分离出分离出 NH3C