第2章++第4節(jié)+化學反應條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨【知識精研+拓展延伸】高二上學期化學魯科版（2019）選擇性必修1

第4節(jié)

化學反應條件的優(yōu)化—工業(yè)合成氨

復習回顧影響化學反應速率和化學平衡的重要因素有哪些?

化學反應速率

化學平衡

溫度氣體壓強催化劑濃度溫度越高，反應速率越大壓強越大，反應速率越大催化劑加快反應速率反應物濃度越大，反應速率越大升高溫度，平衡向吸熱方向移動增大壓強，平衡向氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的方向移動催化劑對平衡無影響增大反應物濃度，平衡正向移動1、應用化學反應速率和化學平衡原理,選擇合成氨的適宜條件。2、應用化學原理選擇化工生產(chǎn)條件的思想和方法。3、通過合成氨條件的分析，認識化學反應速率和化學平衡的控制在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。重點難點聯(lián)系實際工業(yè)生產(chǎn)，合成氨適宜條件的選擇素養(yǎng)目標

英國科學家

克魯克斯重走固氮路環(huán)節(jié)一1898年→德國化學家富蘭克林等人研究出氮氣、碳化鈣、水蒸

氣制氨氣，并設立工廠，但生產(chǎn)成本較高1898年→英國科學家克魯克斯發(fā)出“向空氣要氮肥”的號召方案一方案二【思考】你選擇哪套方案實現(xiàn)固氮？Why？=-33.1KJ·mol-1＜0=+53.3KJ·mol-1＞0哈伯的實驗室裝置合成氨工廠模型如何優(yōu)化合成氨的反應條件？1909年→“哈伯-博施法”合成氨哈伯完成了合成氨的基礎開發(fā)工作，博施實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化，兩人先后獲得諾貝爾獎1902年→哈伯研究N2、H2合成氨氣

德國化學家哈伯重走固氮路環(huán)節(jié)一如何提高綜合經(jīng)濟效益合成氨氣的速率合成氨氣的限度（平衡移動、轉(zhuǎn)化率）生產(chǎn)成本、動力、材料、設備等對上述理論探討進一步論證理論實際工業(yè)合成氨反應條件的控制一、合成氨反應的限度環(huán)節(jié)二(溫度、濃度、壓強等)①△S＜0②△H＜0③△vg＜0降低溫度

溫度(℃)壓強(atm)氨的體積分數(shù)

（%）

400℃，500atm增大壓強一、合成氨反應的限度觀察下圖，尋找合適的投料比1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2與H2的投料比為1:31.你認為可以通過控制哪些反應條件來提高合成氨反應的速率？2.實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應的速率與反應的物質(zhì)的濃度的關系為:請你根據(jù)關系式分析：各物質(zhì)的濃度對反應速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應速率？3.請根據(jù)表2-4-1所給數(shù)據(jù)分析催化劑對合成氨反應速率的影響。二、合成氨反應的速率自主探究

合作解疑合作解疑1你認為可以通過控制哪些反應條件來提高合成氨反應的速率？v溫度濃度壓強催化劑(1)升高溫度；(2)增大壓強；(3)增大反應物濃度；(4)使用催化劑2.實驗研究表明，在特定條件下，氨的合成反應的速率與參與反應的物質(zhì)濃度的關系式為

v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)根據(jù)該關系式分析∶

各物質(zhì)的濃度對反應速率有哪些影響?可以采取哪些措施來提高反應速率??1、氨的合成反應的速率與氮氣濃度的1次方成正比，與氫氣濃度的1.5次方成正比，與氨氣濃度的1次方成反比。2.應在反應達到一定轉(zhuǎn)化率時，將氨從混合氣中分離出去。結論：合作解疑2催化劑對氨的合成反應速率的影響合作解疑3使用催化劑可以使合成氨反應的速率提高上萬億倍。因此，要實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，使用適宜的催化劑是最有效的途徑。結論：三、合成氨生產(chǎn)的適宜條件使NH3生產(chǎn)得快（速率分析）外界條件壓強溫度催化劑反應物濃度使NH3生產(chǎn)得多（平衡分析）外界條件壓強溫度催化劑反應物濃度高壓高溫使用增大濃度低溫高壓增大濃度無影響矛盾（1）要使氨生成得更多（即提高平衡混合物里氨的含量）

（2）要使氨生成得更快（即提高單位時間里氨的產(chǎn)量）

多快化學平衡反應速率如生產(chǎn)設備所需材料的要求

注意環(huán)境保護，反應物利用率接近百分之百好省綠色化學降低成本綜合理論和實際兩方面,在工業(yè)合成氨的過程中我們需要關注哪些問題？4:002:592:582:572:562:552:542:532:522:512:492:482:472:462:452:442:432:422:412:402:392:382:372:362:352:342:332:322:312:302:292:282:272:262:252:242:232:222:212:202:192:182:172:162:152:142:132:122:112:102:092:082:072:062:052:042:032:022:013:003:593:583:573:563:553:543:533:523:513:493:483:473:463:453:443:433:423:413:403:393:383:373:363:353:343:333:323:313:303:293:283:273:263:253:243:233:223:213:203:193:183:173:163:153:143:133:123:113:103:093:083:073:063:053:043:033:023:013:501:000:590:580:570:560:550:540:530:520:510:490:480:470:460:450:440:430:420:410:400:390:380:370:360:350:340:330:320:310:300:290:280:270:260:250:240:230:220:210:200:190:180:170:160:150:140:130:120:110:100:090:080:070:060:050:040:030:020:010:002:001:591:581:571:561:551:541:531:521:511:491:481:471:461:451:441:431:421:411:401:391:381:371:361:351:341:331:321:311:301:291:281:271:261:251:241:231:221:211:201:191:181:171:161:151:141:131:121:111:101:091:081:071:061:051:041:031:021:010:501:502:50

我們都是廠長

項目競聘

假如你是某合成氨工廠的廠長，在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中，你重點要考慮問題有哪些?（時間：4min）1、壓強怎么選？2、催化劑用不用？3、溫度怎么選？4、濃度怎么定？N2和H2的比例怎么定？

1、壓強怎么選？分析①合成氨反應是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應，增大壓強既可以增大反應速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強越大越好。②但是壓強越大，對設備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動力大，因此選擇壓強應符合實際科學技術。理論實際根據(jù)反應器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標來選擇壓強。實際生產(chǎn)壓強一般選擇在200～500大氣壓之間。綜上2、催化劑用不用？經(jīng)濟效益和社會效益要求化學反應速度要快，原料的利用率要高，單位時間的產(chǎn)量要高。分析

實際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在700K時活性最高綜上鐵觸媒催化能力3、溫度怎么選？分析①因為正反應方向是放熱的反應，所以降低溫度有利于平衡正向移動。②可是溫度越低，反應速率越小，達到平衡所需要的時間越長，因此溫度也不宜太低。③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。理論實際實際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）綜上4、濃度怎么定？N2和H2的比例怎么定？分析①增大反應物的濃度可以增大反應速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動。從化學平衡的角度分析，在氮氣和氫氣的物質(zhì)的量比為1:3時，平衡轉(zhuǎn)化率最大，

②但是實驗測得適當提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量比為1:2.8時，更能促進氨的合成。理論實際

實際生產(chǎn)中的處理方法：及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；及時將氮氣和氫氣循環(huán)利用，使其保持一定的濃度。即N2和H2的物質(zhì)的量比為1:2.8綜上合成氨的催化歷程工業(yè)上，氮氣與氫氣合成氨的反應是在催化劑表面上進行的。這是一個復雜的過程，一般要經(jīng)歷反應物擴散至催化劑表面、吸附在催化劑表面、發(fā)生表面反應、產(chǎn)物從催化劑表面脫附、產(chǎn)物擴散離開反應區(qū)等五個步驟。使NH3生產(chǎn)得快（速率分析）外界條件壓強溫度催化劑反應物濃度使NH3生產(chǎn)得多（平衡分析）外界條件壓強溫度催化劑反應物濃度高壓高溫使用增大濃度低溫高壓增大濃度無影響研討結果適宜壓強700K鐵觸媒N2:H2=1:2.8四、合成氨工業(yè)簡述

P88主要流程：原料氣制取凈化壓縮合成分離液氨（造氣）（凈化）（合成氨）四、合成氨工業(yè)簡述

遷移應用環(huán)節(jié)三已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H＜0。其實驗數(shù)據(jù)如表1.01×1055.05×1051.01×1065.05×1061.01×10745097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3壓強/Pa轉(zhuǎn)化率/%溫度/℃工業(yè)生產(chǎn)硫酸時，在SO2氧化為SO3的階段應選擇的適宜條件：(1)溫度應選擇______，理由是

。(2)壓強應選擇_______,理由

。(3)在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目的是

。450℃

在相同的壓強下，溫度越低，SO2的轉(zhuǎn)化率越大

增加氧氣的濃度，使平衡正向移動，增大SO2的