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1、化学反应条件的优化化学反应条件的优化 工业合成氨工业合成氨化学反应原理第化学反应原理第2 2章第章第4 4节节复复习习影响化学反应速率和化学平衡的重要影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些因素有哪些? ? 化学反应速化学反应速率率 化学平衡化学平衡 温度温度气体压强气体压强催化剂催化剂浓度浓度温度越高温度越高, ,反应速反应速率越大率越大压强越大压强越大, ,反应速反应速率越大率越大正催化剂加快反应正催化剂加快反应速率速率反应物浓度越大反应物浓度越大, ,反反应速率越大应速率越大升高温度升高温度, ,平衡向吸平衡向吸热方向移动热方向移动增大压强增大压强, ,平衡向气态物平衡向气态物质系数减
2、小的方向移动质系数减小的方向移动催化剂对平衡无影响催化剂对平衡无影响增大反应物浓度增大反应物浓度, ,平平衡正向移动衡正向移动研究课题：研究课题：化学反应条件的优化 工业合成氨 弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：用空气制造面包的人用空气制造面包的人用空气制造面包的人用空气制造面包的人 1919世纪以前，一些有远见的化学家指出：考世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的将空气中丰富的氮固定下来并转化
3、为可被利用的形式，在形式，在2020世纪初成为一项受到众多科学家注目世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。德国化学家哈伯就是从事合和关切的重大课题。德国化学家哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一, ,他他终于在终于在19131913年实现了合成氨的工业生产，满足了年实现了合成氨的工业生产，满足了2020世纪人口由世纪人口由3030亿增至亿增至6060亿对粮食的需求，因此亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人用空气制造面包的圣人” 合成氨从第一次实验室研制到工业化合成氨从第一次实验室研制到工业化
4、投产经历了约投产经历了约150150年年的时间。德国科学家哈伯的时间。德国科学家哈伯在在1010年的时间内进行了无数次的探索，单是年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，寻找高效稳定的催化剂，2 2年间他们就进行了年间他们就进行了多达多达65006500次试验，测试了次试验，测试了25002500种不同的配方，种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂最后选定了一种合适的催化剂-铁，使合成铁，使合成氨的设想在氨的设想在19131913年成为工业现实。鉴于合成年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于氨工业的实现，瑞典皇家科学院于19181918年向年向哈伯颁发了诺贝尔
5、化学奖。哈伯颁发了诺贝尔化学奖。 化学反应化学反应N N2(g)2(g)+3H+3H2(g)2(g) 2NH 2NH3(g)3(g)看起来十分的看起来十分的简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨工厂为什么需要那么此漫长的过程？合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？化学热化学热力学力学化学动化学动力学力学化学反应化学反应的方向的方向化学反应化学反应的限度的限度化学反应化学反应的速率的速率合成氨反合成氨反应能否自应能否自发进行发进行？怎样能促怎样能促使化学平使化学平衡向合成衡向合
6、成氨方向移氨方向移动动？怎样能提怎样能提高合成氨高合成氨反应速率反应速率？适适宜宜的的合合成成氨氨条条件件工工艺艺流流程程化学工艺学高压对设备材质、加工制造的要求、温度的催化剂活性的影响等分析：合成氨的反应特点 N2+3H2 2NH3_反应正反应为_反应正反应为气体体积_的反应反应特点请根据正反应的焓变和熵变分析在298K下合成氨反应能否自发进行？可逆放热减小能自发进行已知已知298298K K时时: H= -92.2KJ: H= -92.2KJmolmol-1-1 S = -198.2JS = -198.2JK K-1-1molmol-1-1一、一、合成氨的反应限度合成氨的反应限度请同学们根
7、据合成氨反应的特点，利用影响化学平衡移动的因素，分析什么条件有利于氨生成的多？_温、_压有利于化学平衡正向移动；N2、H2浓度比为_时平衡混合物中氨的含量最高；及时把氨从平衡混合气中分离出去。高低1：3【交流交流研讨研讨】1、你认为可以通过控制那些反应条件来、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的提高合成氨反应的速率速率？课本课本P66P66 升高温升高温度度 增大压增大压强强 增大反应物浓度增大反应物浓度 使用催化剂使用催化剂【交流交流研讨研讨】2、实验实验研究表明研究表明，在特定条件下，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为度的关
8、系为: =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请你根据关系式分析：各物质的请你根据关系式分析：各物质的浓浓度度对对反反应应速率速率有哪些影响？可以采有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应取哪些措施来提高反应速率速率？课本课本P66 P66 增大增大N2H2浓度浓度,将氨及时从将氨及时从 混合气中分离出去混合气中分离出去3、请你根据下表所给的数据分析催化、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：剂对合成氨反应速率的影响：催化剂对合成氨反应速率的影响条件条件 E /KJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700k)使用使用Fe催化剂催化剂167
9、 使用催化剂可使合成氨反应使用催化剂可使合成氨反应 的速率提高的速率提高上万亿倍上万亿倍。升升高温高温度度；增大；增大压压强强；增大增大N N2 2、H H2 2浓度浓度，将将氨及时从混合气中分离出去氨及时从混合气中分离出去；使用催化剂使用催化剂二、合成氨反应的速率二、合成氨反应的速率生成生成物氨的浓度物氨的浓度反应物的浓度反应物的浓度催化剂催化剂温度温度压强压强速率分析速率分析使使NH3生产得生产得快快外界条件外界条件高压高压高温高温使用使用增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度平衡分析平衡分析使使NH3生产得生产得多多高压高压低温低温无影响无影响增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度据合成氨反应的特点
10、应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？请填写下表【交流交流研讨研讨】 研讨的内容研讨的内容研讨的问题研讨的问题 1、既然增大压强既可提、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？业中压强是否越大越好？压强怎么定？压强怎么定？2、既然降低温度有利于、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低那么生产中是否温度越低越好？越好？3 、催化剂对化学平衡的移动催化剂对化学平衡的移动没有影响没有影响， 在合成氨工业中在合成氨工业中要要不要不要使用催化剂使用催化剂，
11、为什么为什么？温度怎么选择？温度怎么选择？要不要用催化要不要用催化剂？剂？压强怎么选？压强怎么选？ 分析：分析： 合成氨反应是气态物质系数减小的气体合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，反应，增大增大压强既可以压强既可以增大增大反应速率，又能使反应速率，又能使平衡正向平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。移动，所以理论上压强越大越好。 但是压强越大，对但是压强越大，对设备设备的要求高、压缩的要求高、压缩H H2 2和和N N2 2所需要的所需要的动力动力大，因此选择压强应符合大，因此选择压强应符合实际科学技术。实际科学技术。 综合以上两点综合以上两点: :根据反应器可使用的钢根据反应器可使用
12、的钢材质量及综合指标来选择压强。材质量及综合指标来选择压强。实际生产中实际生产中压强一般选择在压强一般选择在10107 710108 8PaPa之间。之间。温度怎么选择？温度怎么选择？ 分析：分析： 因为正反应方向是放热的反应，所以因为正反应方向是放热的反应，所以降低降低温度温度有利于平衡有利于平衡正向正向移动。移动。 可是温度越低，反应可是温度越低，反应速率越小速率越小，达到平衡所需，达到平衡所需要的时间越要的时间越长长，因此温度也不宜太低。，因此温度也不宜太低。 催化剂催化剂要在一定温度下催化要在一定温度下催化活性活性最大。最大。 综合以上因素综合以上因素: :实际生产中温度一般选择在实际
13、生产中温度一般选择在700K700K左右左右（且在此温度时催化剂的活性最大）（且在此温度时催化剂的活性最大）用不用催化剂？用不用催化剂？ 实际生产中选用实际生产中选用铁铁为主体的催化剂。为主体的催化剂。 分析分析: : 经济效益经济效益和和社会效益社会效益要求化学反应速度要要求化学反应速度要快快， 原料的利用率要原料的利用率要高高，单位时间的产量要，单位时间的产量要高高。浓度怎么定？浓度怎么定？ N N2 2 和和H H2 2的比例怎么定？的比例怎么定？ 增大增大反应物的浓度可以反应物的浓度可以增大增大反应速率，反应速率，减小减小生成物生成物的浓度可以使平衡的浓度可以使平衡正向正向移动。从化学
14、平衡的角度分析，在移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为氮气和氢气的物质的量比为1 1：3 3时，平衡时，平衡转化率最大转化率最大，但，但是是实验测得实验测得适当提高适当提高N N2 2的浓度，即的浓度，即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8时，更能加快合成氨反应的进行。时，更能加快合成氨反应的进行。实际生产中的处理方法实际生产中的处理方法： N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8的投料比；的投料比；及时将气态氨冷却及时将气态氨冷却液化分离液化分离出去；将氮气和出去；将氮气和氢气氢气循环循环利用。利用
15、。外部条件外部条件工业合成氨的适宜条件工业合成氨的适宜条件压强压强温度温度催化剂催化剂浓度浓度研讨的结果根据反应器可使用的钢材质量及综合指标根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压、高压来选择压强，大致分为低压、中压、高压三种（三种（在在10107 710108 8PaPa之间）之间）700K700K左右左右使用铁作催化剂使用铁作催化剂N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8的投料的投料比比, , 氨及时从混合气中分离出去氨及时从混合气中分离出去三、合成氨的适宜条件三、合成氨的适宜条件【总结总结】工业上利用某可逆反应生产产品：工业上
16、利用某可逆反应生产产品： 一般要一般要使用催化剂使用催化剂：这样可以大大加快化学：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 选择选择合适的温度合适的温度：该温度是催化剂活性最大的：该温度是催化剂活性最大的温度；温度； 选择选择合适的压强合适的压强：既要考虑化学反应速率和化：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。 【小结小结反思反思】19141914年第一次世界大战一开始，英国就从海上封锁德年第一次世界大战一开始，英国就从海上封锁德国从智利进口硝石。于是人们预言，德国得不到智
17、利硝国从智利进口硝石。于是人们预言，德国得不到智利硝石，农田将缺乏肥料，炸药工厂也将停产，那么德国最石，农田将缺乏肥料，炸药工厂也将停产，那么德国最迟在迟在19151915年或年或19161916年便要自动投降。可是年便要自动投降。可是19161916年过年过去了，德国还在顽强地战斗，农田照样一派浓绿。前去了，德国还在顽强地战斗，农田照样一派浓绿。前线的炮火反而更加猛烈。原来线的炮火反而更加猛烈。原来德国以哈伯为首的德国以哈伯为首的一批化学家克服了当时的世界化学难题一批化学家克服了当时的世界化学难题以价廉的以价廉的空气、水和煤炭合成了重要的化工原料：氨的合成促空气、水和煤炭合成了重要的化工原料
18、：氨的合成促使了氮肥工业的飞速发展，特别是以氨气为主要原料使了氮肥工业的飞速发展，特别是以氨气为主要原料生产的高效氮肥生产的高效氮肥尿素，使得世界上近亿人免除了尿素，使得世界上近亿人免除了饥荒。饥荒。 弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：哈伯与诺贝尔化学奖哈伯与诺贝尔化学奖 翻阅诺贝尔化学奖的记录，就能看到处19161917年没有颁奖，因为这期间，欧洲正经历着第一次世界大战，1918年颁了奖， 化学奖授予德国化学家哈伯。这引起了科学家的议论，英法等国的一些科学家公开地表示反对，他们认为，哈伯没有资格获得这一荣誉。这究竟是为什么？ 一些英、法科学家认为哈伯没有资格获取诺贝尔奖，原因何在？有人曾认为，假若没有
19、合成氨工业的建立，德国就没有足够的军火储备，军方就不敢贸然发动第一次世界大战。有了合成氨工业，就可以将氨氧化为硝酸盐以保证火药的生产，否则仅依靠智利的硝石，火药就无法保证。当然某些科学的发明创造被用于非正义的战争，科学家是没有直接责任的。英、法科学界对哈伯的指责更多地集中在哈伯在第一次世界大战中的表现。 1914年世界大战爆发，民族沙文主义所煽起的盲目的爱国热情将哈伯深深地卷入战争的漩涡。他所领导的实验室成了为战争服务的重要军事机构：哈伯承担了战争所需的材料的供应和研制工作，特别在研制战争毒气方面。他曾错误地认为，毒气进攻乃是一种结束战争、缩短战争时间的好办法，从而担任了大战中德国施行毒气战的
20、科学负责人。 根据哈伯的建议， 1915年1月德军把装盛氯气的钢瓶放在阵地前沿施放，借助风力把氯气吹向敌阵。第一次野外试验获得成功。该年4月22日在德军发动的伊普雷战役中，在6公里宽的前沿阵地上，在5分钟内德军施放了180吨氯气，约一人高的黄绿色毒气借着风势沿地面冲向英法阵地（氯气比重较空气大，故沉在下层，沿着地面移动），进入战壕并滞留下来。这股毒浪使英法军队感到鼻腔、咽喉的痛，随后有些人窒息而死。这样英法士兵被吓得惊慌失措，四散奔逃。 据估计，英法军队约有15000人中毒。这是军事史上第一次大规模使用杀伤性毒剂的现代化学战的开始。此后，交战的双方都使用毒气，而且毒气的品种有了新的发展。毒气所
21、造成的伤亡，连德国当局都没有估计到。然而使用毒气，进行化学战，在欧洲各国遭到人民的一致遣责。科学家们更是指责这种不人道的行径。鉴于这一点，英、法等国科学家理所当然地反对授予哈伯诺贝尔化学奖。哈伯也因此在精神上受到很大的震动，战争结束不久，他害怕被当作战犯而逃到乡下约半年。 1 1在合成氨工业中，为增加在合成氨工业中，为增加NHNH3 3的日产量，下列变的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（化过程不能使平衡向右移动的是（ ）（A A）不断将不断将NHNH3 3分离出来分离出来（B B）使用催化剂使用催化剂（C C）采用采用700K700K左右的高温左右的高温（D D）采用采用210210
22、7 75105107 7PaPa的压强的压强练一练：练一练：BC2 2、合成氨所需的、合成氨所需的H H2 2可由煤和水蒸气反应可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：而制得，其中一步的反应为：COCO(g)(g)+H+H2 2O O（g g） COCO2(g)2(g)+H+H2(g)2(g)（正反应放热）（正反应放热），下列措施中，能提高，下列措施中，能提高COCO转化率的是（转化率的是（ ）A A、增大压强、增大压强 B B、降低温度、降低温度 C C、增大水蒸气浓度、增大水蒸气浓度 D D、增大、增大COCO浓度浓度BC3、在合成氨时，可以提高、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是
23、（转化率的措施是（ ）(A)延长反应时间延长反应时间 (B)充入过量充入过量H2(C)充入充入过量过量N2 (D)升高温度升高温度C4、关于氨的合成工业的下列说法正确的是、关于氨的合成工业的下列说法正确的是 （ ）(A)(A)从合成塔出来的气体，其中氨一般占从合成塔出来的气体，其中氨一般占15%15%，所以，所以生产氨的工业的效率都很低生产氨的工业的效率都很低(B)(B)由于由于NHNH3 3易液化，易液化，N N2 2、H H2 2可循环使用，则总的说可循环使用，则总的说来氨的产率很高来氨的产率很高(C)(C)合成合成氨工业的反应温度控制在氨工业的反应温度控制在500 500 左右，目左右，
24、目的是使平衡向正反应方向进行的是使平衡向正反应方向进行(D)(D)合成合成氨工业采用氨工业采用2020 MPa - - 50MPa 50MPa ，是因该条是因该条件下催化剂的活性最好件下催化剂的活性最好B5.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：的含量最高：X2(g)+2Y2 (g) X2Y4 (g) （正反应为放热反应）正反应为放热反应）( )A.高温高温 高压高压 B.低温低温 低压低压 C.高温高温 低压低压 D.高压高压 低温低温D6.对于反应对于反应: 2SO2(g)+O2 (g) 2SO3 (g)下列判断正确的是下列判断正确的是( )A.2体积体积SO2和足量和足量O2反应反应,必定生成必定生成2体积体积SO3 B.其他条件不变其他条件不变,增大压强增大压强,平衡向右移动平衡向右移动C.平衡时平衡时, SO2消耗速率必定等于消耗速率必定等于O2的生成速率的生成速率 的两倍的两倍D.平衡时平衡时, SO2浓度必定等于浓度必定等于O2浓度的两倍浓度的两倍.BC
