1、课堂探究探究一合成氨条件的选择问题导引德国化学家哈伯于 1908 年申请循环法合成氨的专利，主要包括下列过程：气体通过高温催化剂；低温除氮后再次循环，通过高温催化剂；全过程在一定压力下进行结合已学化学平衡知识回答下列问题：1合成氨中，催化剂的主要作用是什么？提示：成千上万倍地加快化学反应速率， 缩短达平衡的时间 ，提高 单位时间内的产量。2在哈伯的设计中，为什么不采用尽可能高的压强，而只保持一定的压力？提示：增大压强会增大设备的动力要求，增大成本。3合成氨的反应为放热反应，降低温度会使平衡向右移动，但为什么要用高温？这个温度是不是越高越好？提示：合成氨的反应为放热反应，降低温度促使平衡向右移动
2、，有利于 N2、H2转化为NH3；但降温必然减缓反应速率，影响产率。生产中将二者综合考虑，既要保证 N2、H2 的转化率，又要保证较快的反应速率，只能选择适中的温度 400 500 。另外应注意该温度为催化剂活化温度，低于此温度，催化剂催化作用较弱。名师精讲1合成氨反应的特点合成氨反应是一个可逆反应： N2(g) H2(g) NH3(g)。已知： 298 K 时，13H 46.1 kJmol1 ，S99.5 JK 1 mol1 。HTS46.1 kJmol1 298 K(99.510 3 kJK1 mol1 )16.45 kJmol1 0常温下，合成氨反应能自发进行，所以合成氨的反应特点：所有
3、的反应物和生成物都是气态，且该反应为可逆反应；气体物质的量减少的熵减反应；该反应的正反应是放热反应。 2合成氨工业要求(1)反应要有较大的反应速率；(2)要最大限度地提高平衡混合物中 NH3 的含量。3工业合成氨最佳条件的选择任何化工生产适宜条件的选择都要从两个方面考虑：理论和实际。反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中氨含量 (体积分数 )的影响合成氨条件的选择增大压强有利于增大化学反应速率有利于提高平衡混合物中氨的含量增大压强，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等要求也高，因此，工业上一般采用 1030 MPa 的压强升高温度有利于增大化学反应速率不利于提高平衡混合物中氨的含
4、量升高温度，化学反应速率增大，但不利于提高平衡混合物中氨的含量，因此，合成氨时温度要适宜，工业上一般采用400500 的温度，在这个温度时，铁触媒的活性也最大使用催化剂有利于增大化学反应速率 没有影响工业上一般采用铁触媒，使反应能在较低温度下较快地进行综上可知，要使合成氨的化学反应具有理想的反应速率和反应物的平衡转化率，要掌握合成氨化学反应本身的特点，运用化学反应速率和化学平衡原理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素，综合确定合成氨的条件。当前，从所用催化剂的活性对温度的要求、工业生产对化学反应的速率与限度的要求、制作生产设备的材料性能和技术水平、追求生产投入与产品的最大正效益等实际
5、情况来看，400500 的温度、1030 MPa的压强和铁触媒的组合是合成氨的最佳条件。为了提高合成氨生产的综合经济效益，还有三点是不可忽视的：使原料气中 n(N2)n(H 2)13； 将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后输入合成塔再次利用；及时将 NH3 从平衡混合物中分离出来。 【例题 1】 合成氨工业采取的下列措施中，不能用勒夏特列原理解释的是( )1030 MPa 500 的高温 铁触媒作催化剂将生成的氨液化并及时从体系中分离出来，未反应的 N2、H 2 循环到合成塔中A B和C和 D解析：对于反应 N23H 2 2NH3，中加压可使平衡向正反应方向移动；中高温不利于反应物转
6、化率的提高，只能加快反 应速率；中催化 剂不影响化学平衡；中及时分离出 NH3 和将未反应的 N2、H2 循环到合成塔中，都使平衡向正反应方向移动。答案：B解题技巧勒夏特列原理只能解释有关平衡移动的问题，不能解释化学反应速率的问题。变式训练 1 工业上合成氨的反应为 N2(g)3H 2(g) 2NH3(g)(正反应为放热反应) 。(1)使用铁触媒作催化剂是为了_ _。(2)通常采用 1107310 7Pa 的压强，原因是_。(3)选择 400500 的温度进行反应，是由于_。(4)将生成的氨气及时从混合气体中分离出来，原因是 _。解析：合成氨反应是气体分子总数减小的放热反应，根据化学反应速率和
7、化学平衡原理，并结合生产实际综合分析。答案：(1)提高反应速率(2)该反应是一个气体分子总数减小的反应，增大压强，有利于化学平衡向右移动(3)合成氨的反应是放热反应，温度升高，不利于氨气的生成，但温度过低，反应速率很小，故需采用 400500 的温度，且此时催化剂的活性最大(4)减小生成物氨的浓度，有利于化学平衡向右移动探究二合成氨的生产工艺工艺流程问题导引1在化工生产中，一种产品可由不同的原料制造出来，如何选择最佳原料？提示：可以综合考虑资源、能耗、成本、环境等因素。2合成氨工艺中的关键设备是什么？提示：合成塔。3如何利用未转化的 N2、H 2？在实际化工生产混合气中 N2、H 2 的比大于
8、 13，为什么？提示：分离出氨气，剩余气体循 环利用；提高氢气利用率。名师精讲1氮气的制备(1)物理方法：将空气液化，蒸发分离出 N2。由于相对分子质量越大，分子间作用力越大，空气中所含气体的沸点 N2O 2CO 2，因此，高压下将空气液化后，经减压蒸发，最先得到的是 N2，然后还可以得到 O2 等。此法是目前工业上制取 N2 和 O2 的主要方法。(2)工业上所采用的化学方法：用煤在空气中燃烧，除去 O2，吸收 CO2(如用氨水吸收制 NH4HCO3)后，得到 N2。2氢气的制造合成氨原料来源的关键是如何获得大量廉价的氢气。制取氢气的途径 化学反应原理电解水制取氢气 2H2O 2H2O 2由
9、煤或焦炭制取氢气 CH 2O H2CO由天然气或重油制取氢气 CH4H 2O 3H2COCH42H 2O 4H2CO 2【例题 2】 工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应：N2(g)3H 2(g) 2NH3(g)。其部分工艺流程如下：请回答下列问题：(1)第步除需要催化剂这个条件外，还需要的条件是 _。(2)第步操作中的原料气的“净化”目的是_，第步操作中的目的是_ _。(3)工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。这种分离物质的方法的原理类似于下列哪种方法？_( 填编号) 。a过滤 b蒸馏c分液 d萃取你作出这个判断的理由是_。(4)可以用氯气来检验输送氨气的管道是否漏
10、气，如果漏气则会有白烟生成。该反应的化学方程式为_ _。解析：(2)原料气中往往含有使催化剂中毒的物质，所以在进行原料气的反应前，需要除掉其中的杂质；工业合成氨反应后的混合气体中既有氨气，也有未反 应的氢气、氮气，所以为了提高原料气的利用率，将未反应的原料气进行重新利用，这样可以提高经济效益。(3)降低温度，氨变为液态，从而进行分离，所以与工 业上利用的蒸馏类似，都是通 过改变温度，使物质的状态发生变 化而分离。(4)2NH33Cl 2=N26HCl，生成的 HCl 又与 NH3 反应生成 NH4Cl 小颗粒白烟产生。答案：(1)高温、高压(2)防止催化剂中毒 提高原料利用率( 或提高经济效益等)(3)b 通过改变温度而改变物质的状态，达到分离的目的(4)8NH33Cl 2=6NH4ClN 2解题技巧在合成氨反应的平衡混合物中氨的体积分数仅占 15%，还有大量的氮气和氢气未反应。为了充分利用原料，要把氨及时分离出来，使未反应的原料气重新得到利用。变式训练 2 合成氨工业有下列生产流程：原料气的制备；氨的合成；原料气的净化和压缩；氨的分离。其先后顺序正确的是( )A BC D解析：合成氨的生产主要包括三个步骤：造气 净化 合成与分离。答案：B
