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1、第第4 4节节 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1.1.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；的适宜条件；2.2.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产的选择与理论分析的差异；体验实际生产的选择与理论分析的差异；3.3.通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。 19 19世纪以前，有远见的化学家曾指出
2、：考虑到将来的世纪以前，有远见的化学家曾指出：考虑到将来的粮食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须寄希望于科学家粮食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须寄希望于科学家能实现大气固氮能实现大气固氮将空气中丰富的氮固定下来并转化为将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。德国化学家哈伯在可被利用的形式。德国化学家哈伯在19131913年实现了合成氨年实现了合成氨的工业生产，满足了的工业生产，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，因此人们赞扬哈伯是亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人用空气制造面包的圣人”。弗里茨弗里茨哈伯哈伯利用氮气、氢气为
3、原料合成氨的工业化生产曾是一个利用氮气、氢气为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了了150150年的时间。年的时间。 反应反应N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g)(g)看起来十分简单，为看起来十分简单，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庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？工厂为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？应该从哪些方面
4、选择合成氨的反应条件？化学反应的化学反应的方向方向化学反应的化学反应的限度限度化学反应的化学反应的速率速率合成氨反应合成氨反应能否自发进能否自发进行行怎样能使化怎样能使化学平衡向合学平衡向合成氨方向移成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化学工艺学高压对设备材质、加工高压对设备材质、加工制造的要求、温度对催制造的要求、温度对催化剂活性的影响等化剂活性的影响等合成氨反应有哪些特点？合成氨反应有哪些特点？可逆反应可逆反应正反应气体体积缩小正反应气体体积缩小正反应是放热反应正反应是放热反应熵减小的反应熵减小的反应S00
5、 N N2 2(g) + 3H(g) + 3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g)(g) H-92.4 kJ/mol-92.4 kJ/mol(1(1体积体积) (3) (3体积体积) (2) (2体积体积) )合成氨反应是一个可逆反应合成氨反应是一个可逆反应: N: N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g)(g)已知已知298 298 K K时时: H=-92.2 kJ=-92.2 kJmolmol-1-1 S =-198.2 J=-198.2 JK K-1-1molmol-1-1合成氨反应的平衡常数合成氨反应的平衡常数K=4.1=4.11010
6、6 6（molmolL L-1-1) )-2-2请根据正反应的焓变和熵变分析请根据正反应的焓变和熵变分析298 298 K K下合成氨反应能否自下合成氨反应能否自发进行？发进行？H-T-TS =-92.2 kJ=-92.2 kJmolmol-1-1+298 +298 K K198.2198.21010-3 -3 kJkJk k-1-1molmol-1-1因为因为H-T-TS00，298 298 K K下合成氨反应能自发进行下合成氨反应能自发进行已知增加已知增加N N2 2的量能增大的量能增大H H2 2的转化率，结合方程式判断：的转化率，结合方程式判断：工业合成氨时加入氮气的量是越多越好吗？工
7、业合成氨时加入氮气的量是越多越好吗？N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g) (g) H 92.4 kJ/mol92.4 kJ/mol不是。经研究，工业合成氨采用不是。经研究，工业合成氨采用N N2 2:H:H2 2=1:2.8=1:2.8效果较好。效果较好。1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.60.50.50.40.40.30.30.20.20.10.1NHNH3 3% %N N2 2:H:H2 231.431.457.557.579.879.892.692.698.898.81
8、110108 8PaPa23.123.142.242.265.265.284.284.295.495.46 610107 7PaPa9.19.119.119.138.238.264.264.286.486.42 210107 7PaPa4.54.510.610.625.125.152.052.081.581.51 110107 7PaPa13.813.826.426.447.047.071.071.089.989.93 310107 7PaPa0.050.050.10.10.40.42.22.215.3 15.3 1 110105 5PaPa 400 400 600 600 500 500 3
9、00 300 200 200 压压强强氨氨含含量量温温 度度不同条件下平衡混合气中氨的体积分数不同条件下平衡混合气中氨的体积分数思考相同温度时增大压强，反应的程度如何变化？思考相同温度时增大压强，反应的程度如何变化？反应的程度越大。反应的程度越大。31.431.457.557.579.879.892.692.698.898.81 110108 8PaPa23.123.142.242.265.265.284.284.295.495.46 610107 7PaPa9.19.119.119.138.238.264.264.286.486.42 210107 7PaPa4.54.510.610.625
10、.125.152.052.081.581.51 110107 7PaPa13.813.826.426.447.047.071.071.089.989.93 310107 7PaPa0.050.050.10.10.40.42.22.215.3 15.3 1 110105 5PaPa 400 400 600 600 500 500 300 300 200 200 压压强强氨氨含含量量温温 度度不同条件下平衡混合气中氨的体积分数不同条件下平衡混合气中氨的体积分数思考相同压强时升高温度，反应的程度如何变化？思考相同压强时升高温度，反应的程度如何变化？反应的程度越小反应的程度越小使生产氨气快使生产氨气快
11、（速率分析）（速率分析）使生成氨气多使生成氨气多（平衡分析）（平衡分析） 压强压强 温度温度 催化剂催化剂高压高压高温高温使用使用高压高压低温低温不影响不影响根据外界条件对反应速率和反应限度的影响，根据外界条件对反应速率和反应限度的影响，请为工业合成氨选择合适的条件：请为工业合成氨选择合适的条件：N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g)(g) H -92.4 kJ-92.4 kJmolmol-1-1思考：温度是否越高越好？思考：温度是否越高越好？ 压强是否越大越好？压强是否越大越好？考虑催化剂的活性考虑催化剂的活性考虑设备的耐压能力考虑设备的耐压能力N
12、 N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g) (g) H-92.4 kJ-92.4 kJmolmol-1-1让我好好想想？让我好好想想？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 适宜温度（适宜温度（500500左右）左右）使用铁触媒作催化剂使用铁触媒作催化剂N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1:2.81:2.8的投料比的投料比, , 氨氨及时从混合气中分离出去及时从混合气中分离出去2 210107 75 510107 7 PaPa催化剂活性大催化剂活性大1.1.一般要使用催化剂：一般要
13、使用催化剂：2.2.选择合适的温度：选择合适的温度：3.3.选择合适的压强：选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要综合考虑设备既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要综合考虑设备等。等。该温度是催化剂活性最大的温度；该温度是催化剂活性最大的温度；加快化学反应速率，提高生产效率，提高经济效益；加快化学反应速率，提高生产效率，提高经济效益；工业上利用某可逆反应生产产品有哪些注意事项？工业上利用某可逆反应生产产品有哪些注意事项？例例.(.(双选双选) )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，下列的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（变化过程不能使平衡向
14、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700 K700 K左右的高温左右的高温D.D.采用采用2 210107 75 510107 7 PaPa的压强的压强BCBC合成氨工业简述：合成氨工业简述：1.1.主要流程：主要流程：原料气制取原料气制取净化净化 压缩压缩 合成合成分离分离液氨液氨2.2.原料气制取：原料气制取：常用压缩液态空气常用压缩液态空气 N N2 2( (先逸出先逸出) )蒸发蒸发制氮气制氮气: :（造气）（造气）（净化）（净化）（合成氨）（合成氨）制氢气制氢气: :水蒸气水蒸气 CO+HCO+H2 2 CO
15、 CO2 2+H+H2 2 H H2 2 炽热碳炽热碳H H2 2O(O(气气) )分离分离出出COCO2 2 合成氨的压缩机合成氨的压缩机 催化剂的催化能力一般称为催化活性。催化剂因接触催化剂的催化能力一般称为催化活性。催化剂因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，称为催化剂的少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，称为催化剂的中毒。催化剂中毒后，往往会完全失去活性，严重影响生中毒。催化剂中毒后，往往会完全失去活性，严重影响生产的正常进行。例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，产的正常进行。例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，O O2 2、COCO、COCO2 2和水蒸气等都能使催化剂中毒。工业
16、上为了防止和水蒸气等都能使催化剂中毒。工业上为了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。力的新型催化剂，是一个重要的课题。催化剂中毒催化剂中毒 解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；19491949年全国年全国氮肥产量仅氮肥产量仅0.60.6万吨；万吨；19821982年达到年达到1 021.91 021.9万吨，成为世界上万吨，成为世界上产量最高的国家之一。产
17、量最高的国家之一。 近几年来，我国引进了一批年产近几年来，我国引进了一批年产3030万吨氮肥的大型化肥万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产3030万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。先进。我国合成氨工业的发展情况：我国合成氨工业的发展情况：工业合成氨的适宜条件工业合成氨的适宜条件:( (速率较快速率较快, ,转化率适中，催化剂活性最大转化
18、率适中，催化剂活性最大) )温度温度: 700 K: 700 K压强压强: 2: 210107 75 510107 7 PaPa（200200500 atm500 atm）催化剂：铁触媒催化剂：铁触媒( (以铁为主体的多成分催化剂以铁为主体的多成分催化剂) )浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，且向循环气中不断补充且向循环气中不断补充N N2 2、H H2 2（1:2.8)1:2.8)。1.1.能使合成氨反应进行程度增大的方法是（能使合成氨反应进行程度增大的方法是（ ）A.A.升高温度升高温度 B.B.降低压强降低压强C.C.使用催化剂使用催化剂 D
19、.D.及时分离出氨气及时分离出氨气D D2.2.（双选）合成氨所需的（双选）合成氨所需的H H2 2可由煤和水蒸气反应制得，其中可由煤和水蒸气反应制得，其中一步的反应为：一步的反应为：CO(g)+HCO(g)+H2 2O(g) COO(g) CO2 2(g)+H(g)+H2 2(g)(g)（正反应放（正反应放热），下列措施中，能提高热），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BCBCC C3.3.一定温度下，向一个容积为一定温度下，向一个容积为2 L2 L的
20、事先加入催化剂的真空的事先加入催化剂的真空密闭容器中通入密闭容器中通入1 mol N1 mol N2 2和和3 mol H3 mol H2 2，3 min3 min后测得容器的后测得容器的压强是起始压强的压强是起始压强的0.90.9倍，在此时间内，用倍，在此时间内，用H H2 2的量的变化来的量的变化来表示该反应的平均速率是（表示该反应的平均速率是（ ）A.0.2 molA.0.2 molL L-1-1minmin-1-1 B.0.6 mol B.0.6 molL L-1-1minmin-1-1 C.0.1 molC.0.1 molL L-1-1minmin-1-1 D.0.3 mol D.0
21、.3 molL L-1-1minmin-1-14.4.在合成氨时，可以提高在合成氨时，可以提高H H2 2转化率的措施是（转化率的措施是（ ）A.A.延长反应时间延长反应时间 B.B.充入过量充入过量H H2 2C.C.充入充入过量过量N N2 2 D. D.升高温度升高温度5.5.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：X X2 2(g)+2Y(g)+2Y2 2(g)(g) X X2 2Y Y4 4 (g)(g)（正反应为放热反应）（正反应为放热反应）( )( )A.A.高温高温 高压高压 B.B.低温低温 低压低压 C.C.高温高温
22、低压低压 D.D.低温低温 高压高压C CD D6.6.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中氨一般占从合成塔出来的气体中氨一般占15%15%，所以工业生产氨的，所以工业生产氨的效率都很低效率都很低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，因此总的来说工业可循环使用，因此总的来说工业合成氨的产率很高合成氨的产率很高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，目的是使平左右，目的是使平衡向正反应方向移动衡向正反应方向移动D.D.合成合成氨工业采用氨工业
23、采用2020 MPaMPa50MPa50MPa的压强，是因为该条件下的压强，是因为该条件下催化剂的活性最好催化剂的活性最好B B7.7.（双选）对于反应（双选）对于反应: : 2SO2SO2 2(g)+O(g)+O2 2(g) 2SO(g) 2SO3 3(g)(g)，下列下列判断正确的是判断正确的是( )( )A.2A.2体积体积SOSO2 2和足量和足量O O2 2反应反应, ,必定生成必定生成2 2体积体积SOSO3 3 B.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.C.平衡时平衡时, , SOSO2 2的的消耗速率必定等于消耗速率必定等于O O2
24、 2的生成速率的两倍的生成速率的两倍D.D.平衡时平衡时, , SOSO2 2浓度必定等于浓度必定等于O O2 2浓度的两倍浓度的两倍BC BC 8.8.在一定条件下在一定条件下, ,合成氨反应达到平衡后合成氨反应达到平衡后, ,混合气体中混合气体中NHNH3 3的的体积占体积占25%,25%,若反应前后条件保持不变若反应前后条件保持不变, ,则反应后缩小的气体则反应后缩小的气体体积与原反应物体积之比是体积与原反应物体积之比是( )( )A.1/5 B.1/4 C.1/3 D.1/2A.1/5 B.1/4 C.1/3 D.1/2A A9.9.（双选）在一定条件下，将（双选）在一定条件下，将N
25、N2 2和和H H2 2的混的混合合气体通入固定气体通入固定容积的密闭容器中进行合成氨反应：容积的密闭容器中进行合成氨反应：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3( (正正反应为放热反应反应为放热反应) )下列图像表示正确的是（下列图像表示正确的是（ ）ACAC1.011.0110105 5 Pa Pa1.011.0110106 6 Pa PaA B C DA B C D温度温度T TN N2 2转转化化率率温度温度T TH H2 2转转化化率率1.011.0110107 7 Pa Pa1.011.0110106 6 Pa Pa1.011.0110105 5 Pa Pa1.011.
26、0110107 7 Pa Pa温度温度T TNHNH3 3% %NHNH3 3% %时间时间t tT T1 1T T2 210.10.在合成氨反应中，入口气体体积比在合成氨反应中，入口气体体积比N N2 2:H:H2 2:NH:NH3 3为为6:18:16:18:1，出口气体体积比为出口气体体积比为9:27:89:27:8，则，则H H2 2的转化率为的转化率为_。25%25%H H2 2的转化率的转化率= = 100%=25%100%=25%1.51.53 31818 = =6-x 6-x 1+2x1+2xx=1.5x=1.5解：解： 设设N N2 2转化量为转化量为x x N N2 2 +
27、 3H+ 3H2 2 2NH 2NH3 3起始起始 6 18 16 18 1转化转化 x 3x 2xx 3x 2x平衡平衡 6-x 18-3x 1+2x6-x 18-3x 1+2x相信真诚多于虚假，相信美好多于丑恶，我们的心情会畅快很多。1、做老师的只要有一次向学生撒谎撒漏了底，就可能使他的全部教育成果从此为之毁灭。、做老师的只要有一次向学生撒谎撒漏了底，就可能使他的全部教育成果从此为之毁灭。卢梭卢梭2、教育人就是要形成人的性格。、教育人就是要形成人的性格。欧文欧文3、自我教育需要有非常重要而强有力的促进因素、自我教育需要有非常重要而强有力的促进因素自尊心、自我尊重感、上进心。自尊心、自我尊重
28、感、上进心。苏霍姆林斯基苏霍姆林斯基4、追求理想是一个人进行自我教育的最初的动力，而没有自我教育就不能想象会有完美的精神生活。我认为，教会学生自己教育自己，这是一种、追求理想是一个人进行自我教育的最初的动力，而没有自我教育就不能想象会有完美的精神生活。我认为，教会学生自己教育自己，这是一种最高级的技巧和艺术。最高级的技巧和艺术。苏霍姆林斯基苏霍姆林斯基5、没有时间教育儿子、没有时间教育儿子就意味着没有时间做人。就意味着没有时间做人。（前苏联）苏霍姆林斯基（前苏联）苏霍姆林斯基6、教育不是注满一桶水，而且点燃一把火。、教育不是注满一桶水，而且点燃一把火。叶芝叶芝7、教育技巧的全部奥秘也就在于如何
29、爱护儿童。、教育技巧的全部奥秘也就在于如何爱护儿童。苏霍姆林斯基苏霍姆林斯基8、教育的根是苦的，但其果实是甜的。、教育的根是苦的，但其果实是甜的。亚里士多德亚里士多德9、教育的目的，是替年轻人的终生自修作准备。、教育的目的，是替年轻人的终生自修作准备。R.M.H.10、教育的目的在于能让青年人毕生进行自我教育。、教育的目的在于能让青年人毕生进行自我教育。哈钦斯哈钦斯11、教育的实质正是在于克服自己身上的动物本能和发展人所特有的全部本性。、教育的实质正是在于克服自己身上的动物本能和发展人所特有的全部本性。（前苏联）苏霍姆林斯基（前苏联）苏霍姆林斯基12、教育的唯一工作与全部工作可以总结在这一概念
30、之中、教育的唯一工作与全部工作可以总结在这一概念之中道德。道德。赫尔巴特赫尔巴特13、教育儿童通过周围世界的美，人的关系的美而看到的精神的高尚、善良和诚实，并在此基础上在自己身上确立美的品质。、教育儿童通过周围世界的美，人的关系的美而看到的精神的高尚、善良和诚实，并在此基础上在自己身上确立美的品质。苏霍姆林斯基苏霍姆林斯基14、教育不在于使人知其所未知，而在于按其所未行而行。、教育不在于使人知其所未知，而在于按其所未行而行。园斯金园斯金15、教育工作中的百分之一的废品，就会使国家遭受严重的损失。、教育工作中的百分之一的废品，就会使国家遭受严重的损失。马卡连柯马卡连柯16、教育技巧的全部诀窍就在
31、于抓住儿童的这种上进心，这种道德上的自勉。要是儿童自己不求上进，不知自勉，任何教育者就都不能在他的身、教育技巧的全部诀窍就在于抓住儿童的这种上进心，这种道德上的自勉。要是儿童自己不求上进，不知自勉，任何教育者就都不能在他的身上培养出好的品质。可是只有在集体和教师首先看到儿童优点的那些地方，儿童才会产生上进心。上培养出好的品质。可是只有在集体和教师首先看到儿童优点的那些地方，儿童才会产生上进心。苏霍姆林斯基苏霍姆林斯基17、教育能开拓人的智力。、教育能开拓人的智力。贺拉斯贺拉斯18、作为一个父亲，最大的乐趣就在于：在其有生之年，能够根据自己走过的路来启发教育子女。、作为一个父亲，最大的乐趣就在于：在其有生之年，能够根据自己走过的路来启发教育子女。蒙田蒙田19、教育上的水是什么就是情，就是爱。教育没有了情爱，就成了无水的池，任你四方形也罢、圆形也罢，总逃不出一个空虚。班主任广博的爱、教育上的水是什么就是情，就是爱。教育没有了情爱，就成了无水的池，任你四方形也罢、圆形也罢，总逃不出一个空虚。班主任广博的爱心就是流淌在班级之池中的水，时刻滋润着学生的心田。心就是流淌在班级之池中的水，时刻滋润着学生的心田。夏丐尊夏丐尊20、教育不能创造什么，但它能启发儿童创造力以从事于创造工作。、教育不能创造什么，但它能启发儿童创造力以从事于创造工作。陶行知陶行知好好学习，天天向上。好好学习，天天向上。
