化學反應的調(diào)控 【 備課精講精研 】高二上學期化學人教版（2019）選擇性必修1

“工業(yè)合成氨”有話對你說人教版（2019）選擇性必修一

第二章

化學反應速率與平衡第四節(jié)

化學反應的調(diào)控哈伯博施向天要化肥N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)△H=-92KJ/mol合成氨工藝原理?

速率層面平衡層面視角一工業(yè)合成氨的條件選擇快多問題1：從經(jīng)濟效益角度來看，工業(yè)生產(chǎn)應該考慮哪些方面的問題？問題2：請從濃度、溫度、壓強、催化劑四個維度判斷應該如何提高合成氨反應的速率以及提高平衡時氨的含量影響速率角度：高壓平衡角度：高壓速率角度：使用平衡角度：無影響速率角度：濃度高平衡角度：濃度高速率角度：高溫平衡角度：低溫濃度壓強溫度催化劑視角一工業(yè)合成氨的條件選擇活動1：根據(jù)課本中提供的資料，小組討論選擇合成氨的最適條件原料氣中N2相對易得，適度過量有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率；N2在Fe催化劑上的吸附是決速步驟，適度過量有利于提高整體反應速率。1:11:21:31:41:51:60.50.40.30.1NH3%N2:H20.20.6理論：T、P一定時，N2：H2=1∶3時，平衡混合物中NH3的含量最高。實際：當N2：H2=1∶2.8時更能加快合成氨反應(催化劑的實際效果)視角一工業(yè)合成氨的條件選擇視角一工業(yè)合成氨的條件選擇資料補充溫度/℃氨的含量/％0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.4催化劑/種類特點最適溫度性質(zhì)來源價格鋨500-600℃難加工、易被空氣氧化稀有金屬世界上儲量極少高昂鈾-碳化鈾600℃不穩(wěn)定、對水敏感放射性元素

稀少高昂鐵觸媒（含鉛鎂促進劑）400-500℃穩(wěn)定地殼中含量多較為廉價最優(yōu)條件：投料比N2：H2=1∶2.8前提下，選擇400-500℃，10MPa-30MPa的條件在催化劑作用下的反應歷程為(*表示吸附態(tài))化學吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；表面反應：N*＋H*NH*；NH*＋H*NH；NH＋H*NH脫附：NHNH3(g)其中，N2的吸附分解反應活化能高、速率慢，決定了合成氨的整體反應速率。視角一工業(yè)合成氨的條件選擇哈伯合成氨所用裝置冷卻室反應器出水口干燥室液態(tài)NH3出口進水口未反應氣體通過循環(huán)泵返回壓縮N2和H2進口哈伯1918年獲得諾貝爾化學獎“合成氨的基礎(chǔ)開發(fā)工作”在催化劑作用下的反應歷程為(*表示吸附態(tài))化學吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；表面反應：N*＋H*NH*；NH*＋H*NH；NH＋H*NH脫附：NHNH3(g)其中，N2的吸附分解反應活化能高、速率慢，決定了合成氨的整體反應速率。視角二工業(yè)合成氨的實際生產(chǎn)問題1：實際生產(chǎn)中如何獲得大量廉價的原料氣？氮氣氫氣空氣壓縮液態(tài)空氣蒸發(fā)N2逸出物理方法化學方法碳CO2與N2K2CO3溶液N2逸出造氣凈化合成氨你化學吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；表面反應：N*＋H*NH*；NH*＋H*NH；NH＋H*NH脫附：NHNH3(g)其中，N2的吸附分解反應活化能高、速率慢，決定了合成氨的整體反應速率。視角二工業(yè)合成氨的實際生產(chǎn)氫氣方案1：活潑金屬與酸的置換反應方案2：電解水獲取氫氣方案3：利用水煤氣（主要成分H2和CO）制備氫氣C+H2OCO+H2CH4+H2OCO+3H2CO+H2OCO2+H2問題2：水煤氣法中為什么要繼續(xù)將CO轉(zhuǎn)化為CO2？煤天然氣防止催化劑中毒

視角二工業(yè)合成氨的實際生產(chǎn)資料補充H2SCOCO2O2原料氣中主要的雜質(zhì)氣體問題3：如何在合成氨工業(yè)中對原料氣進行凈化？①稀氨水吸收H2S：NH3?H2O+H2S==NH4HS+H2O②使CO轉(zhuǎn)化為CO2：CO+H2OCO2+H2③CO2用K2CO3溶液吸收：CO2+K2CO3+H2O==2KHCO3④最后原料氣還需精制處理，用醋酸、銅、氨配制成的溶液來吸收上述所有氣體鐵觸媒博施團隊經(jīng)過了超2萬次的實驗，最終篩選出鐵觸媒作為工業(yè)合成氨的催化劑博施1931年獲得諾貝爾化學獎實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化巴斯夫公司合成氨塔遺址位于德國路德維爾，是合成氨歷史上具有里程碑意義的一次重要創(chuàng)舉視角二工業(yè)合成氨的實際生產(chǎn)

視角二工業(yè)合成氨的實際生產(chǎn)問題4：即使在選擇的最優(yōu)條件下，合成氨平衡體積分數(shù)也只有26.4%，還應如何提高反應物的轉(zhuǎn)化率？資料補充N2H2NH3沸點/℃-195.8-252.7-33.5N2、H2

、NH3的常壓下沸點NH3在不同壓強下的沸點壓強/MPa0.1125102050沸點/℃-33.5254886121164237合成氨的高壓條件下，氨氣沸點已高于100

℃，可采用冷凝水冷卻解決措施迅速冷卻，使氣態(tài)氨液化，并從平衡混合物中分離出去，促進化學反應向生成氨的方向移動措施一分離液氨將液氨分離后的混合氣體循環(huán)至熱交換器，并不斷補充N2、H2

，使反應物保持一定濃度，利于合成氨反應措施二原料循環(huán)視角二工業(yè)合成氨的實際生產(chǎn)問題4：即使在選擇的最優(yōu)條件下，合成氨平衡體積分數(shù)也只有26.4%，還應如何提高反應物的轉(zhuǎn)化率？視角二工業(yè)合成氨的實際生產(chǎn)活動1：請你從天然氣為出發(fā)，作出工業(yè)合成氨的流程圖（可考慮副產(chǎn)品）正確且合適的化學反應理論條件與實際因素相結(jié)合，選出最利于生產(chǎn)的方案尋找最優(yōu)的生產(chǎn)設(shè)備視角二工業(yè)合成氨的實際生產(chǎn)原理條件設(shè)備活動2：請你總結(jié)化工生產(chǎn)的一般規(guī)劃埃特爾2007年諾貝爾化學獎獲得者研究吸附催化的反應機理

揭開了合成氨的“天機”視角三工業(yè)合成氨的現(xiàn)狀與前景

原料氣中N2相對易得，適度過量有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率；N2在催化劑上的吸附是決速步驟，適度過量有利于提高整體反應速率。3.5億噸40億噸據(jù)統(tǒng)計，每年，全世界在合成氨工業(yè)中消耗3.5億噸能源，占全人類能源消耗的1%-2%。每年，全世界在合成氨工業(yè)中向外排放CO2高達40億噸視角三工業(yè)合成氨的現(xiàn)狀與前景問題1：你認為哈伯-博施法的合成氨工業(yè)還有什么方面亟需突破？降低能耗節(jié)能減排溫和條件【展望1】電化學法合成氨視角三工業(yè)合成氨的現(xiàn)狀與前景【展望2】仿生固氮酶催化劑視角三工業(yè)合成氨的現(xiàn)狀與前景生物固氮具有條件溫和，轉(zhuǎn)化率高達100%的特點，通過生物的固氮酶可以協(xié)同活化氮分子，削弱或打開氮氮三鍵?；瘜W家若能在仿生固氮酶的研發(fā)方面進一步拓展，即有望實現(xiàn)溫和條件下的氨合成。早在20世紀60年代中國結(jié)構(gòu)化學先驅(qū)盧嘉錫院士提出固氮酶活性中心的結(jié)構(gòu)模型2016年，中國科學院大連化學物理研究所的科學家們研制出了新型催化