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)合成氨教案魯科版選修

化學(xué)條件的優(yōu)化

—工業(yè)合成氨

化學(xué)反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起來(lái)十分的簡(jiǎn)單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會(huì)經(jīng)歷如此漫長(zhǎng)的過(guò)程？合成氨工廠為什么需要那么龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件？

合成氨技術(shù)的發(fā)明使工業(yè)化人工固氮成為現(xiàn)實(shí)。要實(shí)現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，必須從化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面選擇合成氨的反應(yīng)條件。聯(lián)想·質(zhì)疑經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益：

增大化學(xué)反應(yīng)速率單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)率高增大化學(xué)反應(yīng)限度原料的利用率高【問(wèn)題】分析工業(yè)生產(chǎn)主要要考慮哪些問(wèn)題？另外還要考慮生產(chǎn)中的消耗能源、原料來(lái)源、設(shè)備條件、環(huán)境保護(hù)等因素。復(fù)習(xí)影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些?

化學(xué)反應(yīng)速率

化學(xué)平衡

溫度氣體壓強(qiáng)催化劑濃度溫度越高,反應(yīng)速率越大壓強(qiáng)越大,反應(yīng)速率越大正催化劑加快反應(yīng)速率反應(yīng)物濃度越大,反應(yīng)速率越大升高溫度,平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)增大壓強(qiáng),平衡向氣體體積減小的方向移動(dòng)催化劑對(duì)平衡無(wú)影響增大反應(yīng)物濃度,平衡正移動(dòng)

合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時(shí)，△H=-92.2KJ·mol-1

△S=-198.2J·K-1·mol-11、請(qǐng)根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析298K下合成氨反應(yīng)是否自發(fā)進(jìn)行。2、請(qǐng)利用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的合適條件?！窘涣鳌ぱ杏憽恳?、合成氨的反應(yīng)限度氫氮比平衡時(shí)NH3含量不同條件下平衡混合氣中氨的含量(體積分?jǐn)?shù))(原料其中N2和H2的體積比是1:3)31.457.579.892.698.81×108Pa23.142.265.284.295.46×107Pa9.119.138.264.286.42×107Pa4.510.625.152.081.51×107Pa13.826.447.071.089.93×107Pa0.050.10.42.215.31×105Pa4000C6000C5000C3000C

2000C壓強(qiáng)氨含量溫度二、合成氨反應(yīng)的速率交流·研討1.你認(rèn)為可以通過(guò)控制哪些反應(yīng)條件來(lái)提高合成氨反應(yīng)的速率?2、實(shí)驗(yàn)表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)請(qǐng)你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃度對(duì)反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來(lái)提高反應(yīng)速率？3、請(qǐng)你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響：催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響條件△E/KJ/molK(催)/k(無(wú))無(wú)催化劑3353.4×1012(100k)使用Fe催化劑1671、催化劑能降低反應(yīng)的活化能、增大速率常數(shù)2、使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬(wàn)億倍。第67頁(yè)1、填寫(xiě)表格2、請(qǐng)嘗試為合成氨選擇合適的條件【交流·研討】三、合成氨的適宜條件的選擇提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率性質(zhì)措施放熱反應(yīng)正向分子數(shù)減小反應(yīng)可逆未參與反應(yīng)的原料氣應(yīng)循環(huán)使用加壓有利,反應(yīng)器材質(zhì)要求高低溫有利,熱量回收,綜合利用提高化學(xué)反應(yīng)速率活化能高低溫時(shí)反應(yīng)速率低原料氣增加能提高反應(yīng)速率氨氣濃度增加能降低反應(yīng)速率研究提高氮活性的催化劑升高反應(yīng)溫度增加原料氣濃度,此反應(yīng)為加壓及時(shí)將氨氣移走生成氨的濃度反應(yīng)物的濃度催化劑溫度壓強(qiáng)速率分析提高反應(yīng)速率外界條件高壓高溫使用增大濃度減小濃度平衡分析提高轉(zhuǎn)化率高壓低溫?zé)o影響增大濃度減小濃度小結(jié)：選擇適宜生產(chǎn)條件的原則：(1)既要注意外界條件對(duì)二者影響一致性,又要注意對(duì)二者影響的矛盾性。(2)既要注意溫度、催化劑對(duì)速率影響的一致性,又要注意催化劑的活性對(duì)溫度的限制。(3)既要注意理論上的需要,又要注意實(shí)際可能性。【交流·研討】

研討的內(nèi)容研討的問(wèn)題

1、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)是否越大越好？壓強(qiáng)怎么定？2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？3、催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒(méi)有影響，在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑，為什么？溫度怎么選擇？要不要用催化劑？濃度怎么定？H2和N2的比例怎么定？討論：能否用過(guò)量氮?dú)馓岣邭錃廪D(zhuǎn)化率？工業(yè)合成氨是否采用此方法？1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑濃度研討的結(jié)果

適宜溫度

700K左右使用鐵觸媒作催化劑1×107~1×108Pa氮?dú)馀c氫氣投料比：1:2.8氨氣及時(shí)分離，氮?dú)湓蠚庋h(huán)使用并不斷補(bǔ)充。已知2SO2(g)+O2