高中化學(xué) 第2章 化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率 2.4 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨課件10 魯科版選修4-魯科版高二選修4化學(xué)課件

1、 第第2 2章章 第四節(jié)第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化 工業(yè)合成氨工業(yè)合成氨1914年，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)年，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)原來德國以哈伯為首的一批化學(xué)家克服了當(dāng)時(shí)的世界化學(xué)難題以廉價(jià)的空氣、水和煤炭合成了重要的制造肥料肥料和炸藥炸藥的化工原料氨氣氨氣。因?yàn)楣畬铣砂惫I(yè)所取得的重大成就，哈伯獲得了1918年的諾諾貝爾化學(xué)獎貝爾化學(xué)獎，人們贊揚(yáng)他為用空氣制造出用空氣制造出面包的天使面包的天使。德國化學(xué)家弗里茨哈伯氨硝酸染料炸藥銨鹽化肥工業(yè)冷凍(致冷劑)磺胺藥物機(jī)械工業(yè)石油加工氰化物金屬冶煉與 CO2反應(yīng)尿素(作為肥料,尿素含氮量最高,是中性速效肥料,不會影響土質(zhì))塑料合成纖

2、維丁腈橡膠(氨氧化法) 假如將來你是一個(gè)合成氨工廠的廠長，假如將來你是一個(gè)合成氨工廠的廠長，對工業(yè)生產(chǎn)你會考慮哪些問題？對工業(yè)生產(chǎn)你會考慮哪些問題？交流研討（交流研討（P P65 65 ）：已知）：已知N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2 (g) 2NH2NH3 3 (g) H H0 0。在在298K298K時(shí)時(shí): :_反應(yīng)反應(yīng)正反應(yīng)為正反應(yīng)為_反應(yīng)反應(yīng)正反應(yīng)為氣體體積正反應(yīng)為氣體體積_的反應(yīng)的反應(yīng)反應(yīng)特點(diǎn)反應(yīng)特點(diǎn)可逆可逆放熱放熱減小減小_自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)能能H HT TS =S = 33.14 kJmol1 【自主探究自主探究】根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)應(yīng)分別采取什么措施提高根據(jù)

3、合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)應(yīng)分別采取什么措施提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率？請?zhí)顚懴卤矸磻?yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率？請?zhí)顚懴卤硗饨鐥l件外界條件使使NH3生產(chǎn)的多生產(chǎn)的多使使NH3生產(chǎn)的快生產(chǎn)的快平衡分析平衡分析速率分析速率分析壓強(qiáng)壓強(qiáng)催化劑催化劑溫度溫度濃度濃度高壓高壓高壓高壓高溫高溫低溫低溫使用使用無影響無影響增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度減小生成物濃度減小生成物濃度實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度關(guān)系反應(yīng)的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度關(guān)系式為：式為：則各物質(zhì)濃度對反應(yīng)速率有何影響？可以則各物質(zhì)濃度對反應(yīng)速率有何

4、影響？可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？增大氮?dú)夂蜌錃獾臐舛?，減小氨氣的濃度【自主探究自主探究】【合作探究合作探究】據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)應(yīng)分別采取一些措施提高反據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)應(yīng)分別采取一些措施提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率，但是二者能否一致？應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率，但是二者能否一致？外界條件外界條件使使NH3生產(chǎn)的多生產(chǎn)的多使使NH3生產(chǎn)的快生產(chǎn)的快平衡分析平衡分析速率分析速率分析壓強(qiáng)壓強(qiáng)催化劑催化劑溫度溫度濃度濃度高壓高壓高壓高壓高溫高溫低溫低溫使用使用無影響無影響增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度減小生成物濃度減小生成物濃度一致一致矛盾矛

5、盾一致一致減小生成物濃度減小生成物濃度結(jié)合外界條件對合成氨反應(yīng)結(jié)合外界條件對合成氨反應(yīng)的平衡和速率的影響的平衡和速率的影響，請小組探，請小組探究，工業(yè)中合成氨的適宜條件。究，工業(yè)中合成氨的適宜條件?！竞献骱献?探究探究】三、合成氨的適宜條件 溫馨提示溫馨提示: : 經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)濟(jì)效益和和社會效益社會效益要求化學(xué)反要求化學(xué)反應(yīng)速度要應(yīng)速度要快快，原料的利用率要，原料的利用率要高高，單位時(shí)間的產(chǎn)量要單位時(shí)間的產(chǎn)量要高高。溫馨提示：溫馨提示： 既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)選擇選擇多大多大比較

6、合適？是不是越大越好？比較合適？是不是越大越好？ 壓強(qiáng)怎么選？壓強(qiáng)怎么選？ 2合成氨反應(yīng)的適宜條件合成氨反應(yīng)的適宜條件 (1)壓強(qiáng)壓強(qiáng) 適宜條件適宜條件 理論依據(jù)：壓強(qiáng)越大，要求動力越理論依據(jù)：壓強(qiáng)越大，要求動力越大，對材料和設(shè)備的制造要求就越高。大，對材料和設(shè)備的制造要求就越高。 用不用催化劑？用不用催化劑？催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響根據(jù)使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍上萬億倍分析，在合成氨工業(yè)中我們到底需不需要使用催化劑？答：需要，因?yàn)槭褂么呋瘎╇m然不能提高答：需要，因?yàn)槭褂么呋瘎╇m然不能提高合成氨的限度，但是可大大提高合成氨反合成氨的限度，但是可大大提高合成氨反應(yīng)的速率，大大

7、的縮短到達(dá)平衡的時(shí)間。應(yīng)的速率，大大的縮短到達(dá)平衡的時(shí)間。條件條件Ea/KJ/molk(催催)/k(無無)無催化劑無催化劑3353.41012/(100k)使用使用Fe催化劑催化劑167 溫度怎么選擇？溫度怎么選擇？ 溫馨溫馨提示：提示： 既然降低溫度有利于平衡向合成氨的方既然降低溫度有利于平衡向合成氨的方向移動，但是合成氨的速率會降低，那么溫向移動，但是合成氨的速率會降低，那么溫度我們應(yīng)該如何選擇？度我們應(yīng)該如何選擇？1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2濃度怎么選擇？濃度怎么選擇？ 增大增大反應(yīng)物的濃度可以反應(yīng)物的濃度可以增大

8、增大反應(yīng)速率，反應(yīng)速率，減小減小生成物的濃度可以使平衡生成物的濃度可以使平衡正向正向移動。從化學(xué)平衡移動。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1 1：3 3時(shí)，平衡時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大轉(zhuǎn)化率最大，但是，但是實(shí)驗(yàn)測得實(shí)驗(yàn)測得適當(dāng)提高適當(dāng)提高N N2 2的的濃度，可提高濃度，可提高H H2 2的轉(zhuǎn)化率，即的轉(zhuǎn)化率，即N N2 2和和H H2 2的物質(zhì)的量比的物質(zhì)的量比為為1 1：2.82.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。 濃度怎么選擇？濃度怎么選擇？0.10.1101020203030606010010040040015.315.3 8

9、1.581.586.486.489.989.995.495.4 98.898.85005002.22.252.052.064.264.271.071.084.284.2 92.692.66006000.40.425.125.138.238.247.047.065.265.2 79.879.87007000.10.110.610.619.119.126.426.442.242.2 57.557.58008000.050.054.54.59.19.113.813.823.123.1 31.431.4壓強(qiáng)/MPaNH3含 量/%溫度/K 即使在即使在700K700K和和30MPa30MPa時(shí)，合成氨

10、平衡時(shí)，合成氨平衡混合物中混合物中NHNH3 3的體積分?jǐn)?shù)也只有的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？合合 成成 氨氨 流流 程程 簡簡 圖圖合 成 塔氨 分 離 器水 冷 器循環(huán)氣體循環(huán)氣體壓縮機(jī)壓縮機(jī)循循環(huán)環(huán)壓壓縮縮機(jī)機(jī)氮?dú)浠旌蠚獾獨(dú)浠旌蠚鈱?shí)際生產(chǎn)中的處理方法實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液液化分離化分離出去；及時(shí)將氮?dú)夂蜌錃獬鋈?；及時(shí)將氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)循環(huán)利用，使利用，使其保持一定的濃度（其保持一定的濃度（1 1：2.82.8 ）。）。小小結(jié)結(jié)1、合成氨的工業(yè)條件的選擇、合成氨的工業(yè)條件的選擇反應(yīng)

11、速率和化學(xué)平衡共同作用的結(jié)果反應(yīng)速率和化學(xué)平衡共同作用的結(jié)果2、選擇合成氨的條件時(shí)，既不能片面地、選擇合成氨的條件時(shí)，既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速率，而應(yīng)該率，而應(yīng)該 合成氨適宜條件催化劑_溫度_根據(jù)設(shè)備動力選擇壓強(qiáng)：N2、H2投料比_及時(shí)分離_鐵觸媒700K左右低壓(1107Pa) 、中壓(2107Pa (3107Pa) 、高壓(8.5107Pa 1108Pa )、1:2.8氨氣濃度：三、合成氨的適宜條件1、關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說法正確的是、關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說法正確的是（）(A)從合成塔出來的氣體，其中氨一般占從合成塔出來的氣體，其

12、中氨一般占15%，所以生產(chǎn)氨的工業(yè)的效率都很低，所以生產(chǎn)氨的工業(yè)的效率都很低(B)由于由于NH3易液化，易液化，N2、H2可循環(huán)使用，可循環(huán)使用，則總的說來氨的產(chǎn)率很高則總的說來氨的產(chǎn)率很高(C)合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500左左右，目的是使平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行右，目的是使平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行(D)合成氨工業(yè)采用合成氨工業(yè)采用20MPa-50MPa，是因該條件下催化劑的活性最好是因該條件下催化劑的活性最好BC C2.2.有如下平衡體系：有如下平衡體系： CO（g）+2H2（g） CH3OH(g)（正（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），為了增加甲醇的產(chǎn)量，反應(yīng)為放熱反應(yīng)），為了增加

13、甲醇的產(chǎn)量，應(yīng)采取的正確措施是（應(yīng)采取的正確措施是（ ）A.A.高溫、高壓高溫、高壓 B.B.低溫、低壓低溫、低壓C.C.適當(dāng)?shù)臏囟?、適當(dāng)?shù)母邏骸⑦m宜的催化劑適當(dāng)?shù)臏囟?、適當(dāng)?shù)母邏?、適宜的催化劑D.D.高溫、高壓、催化劑高溫、高壓、催化劑3、合成氨所需的合成氨所需的H2可由煤和水蒸氣反應(yīng)可由煤和水蒸氣反應(yīng)而制得，其中一步的反應(yīng)為：而制得，其中一步的反應(yīng)為：CO + H2O CO2 + H2 (正反應(yīng)放熱正反應(yīng)放熱)，下列措施中，能提高下列措施中，能提高CO轉(zhuǎn)化率的是（轉(zhuǎn)化率的是（ ）A增大壓強(qiáng)增大壓強(qiáng) B升高溫度升高溫度C增大水蒸氣濃度增大水蒸氣濃度 D增大濃度增大濃度 已知2SO2(g)+O

14、2(g) 2SO3 (g) H0其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表：(1) 應(yīng)選用的溫度是_。應(yīng)采用的壓強(qiáng)是_，理由是_450常常壓壓因?yàn)槌合乱驗(yàn)槌合耂O2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強(qiáng)，的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強(qiáng)，SO2的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率提高很少，但需要的動力更大，對設(shè)備的要求更高。提高很少，但需要的動力更大，對設(shè)備的要求更高。工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品：工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品： 一般要一般要使用催化劑使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)：這樣可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益；反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益； 選擇選擇合適的溫度合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大：

15、該溫度是催化劑活性最大的溫度；的溫度； 選擇選擇合適的壓強(qiáng)合適的壓強(qiáng)：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要考慮動力、材料、設(shè)備等?；瘜W(xué)平衡，還要考慮動力、材料、設(shè)備等?！拘〗Y(jié)小結(jié)反思反思】外界條外界條件件有利于加快速有利于加快速率的條件控制率的條件控制有利于平衡移動有利于平衡移動的條件控制的條件控制綜合分析結(jié)果綜合分析結(jié)果濃度濃度增大反應(yīng)物的增大反應(yīng)物的濃度濃度增大反應(yīng)物的濃增大反應(yīng)物的濃度、減小生成物度、減小生成物的濃度的濃度不斷地補(bǔ)充反不斷地補(bǔ)充反應(yīng)物、及時(shí)地應(yīng)物、及時(shí)地分離出生成物分離出生成物催化劑催化劑加合適的催化加合適的催化劑劑不需要不需要加合適的催化加合適的催化劑劑溫度溫度高溫高溫H0低溫低溫兼顧速率和平衡，兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適宜考慮催化劑的適宜溫度溫度H0高溫高溫在設(shè)備條件允許的在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取前提下，盡量采取高溫并選取催化劑高溫并選取催化劑壓強(qiáng)壓強(qiáng)高壓高壓(有氣有氣體參體參加加)(g)0高壓高壓在設(shè)備條件允許的在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取前提下，盡量采取高壓高壓(g)0低壓低壓兼顧速率和平衡，兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強(qiáng)選取適宜的壓強(qiáng)四、合成氨工業(yè)簡述：四、合成氨工業(yè)簡述：1、主要流程：、主要流程