1、普通高中课程标准实验教科书 化学（选修 化学反应原理）第二章 第 4节 化学反应条件的优 化 -工业合成氨合成氨工厂一角N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)弗里茨 哈伯：用空气制造面包的天使自 1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨。 德国 化学家 哈伯 带领科研团队也从 1902年开始研究氨的直接合成。但直到 1913年才实现了氨的工业生产。弗里茨哈伯与合成氨合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了 约 150年 的时间。德国科学家哈伯在 10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， 2年间他们就进行了 多达 6500次 试验，
2、测试了 2500种不同的配方 ，最后选定了一种合适的 催化剂 -铁 ，使合成氨的设想在 1913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 1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖 。我们一起来探究和合成氨的条件的选择？回顾：氨气的实验室制法回顾：氨气的实验室制法 （课本（课本 P79页）页）1、实验室制备（ 1）原理：（ 2）装置：（ 3）收集：（ 4）干燥：2NH4Cl+Ca(OH)2 = CaCl2+2NH3+2H 2O 固固加热型（与制 O2相同）向下排空气法碱石灰【 交流 研讨 1】合成氨反应是一个可逆反应 : N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)已知 298K时 : H=
3、 -92.2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析 298K下合成氨反应能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数 K为 . （ molL-1)-2化学反应方向【 交流 研讨 2】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？化学平衡角度数据一压强对氨气百分数的影响数据二N2H2体积比对产率的影响1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2_温度、 _压 强有利于化学平衡向生成氨的方向移动 ， N2、 H2体积 比为 _时平衡混合物中氨的含量最高 。增大降低1： 3【 小结 1】【 交
4、流 研讨 3】1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？2、 实验 研究表明 ，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为 : =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请同学们根据关系式分析：各物质的 浓度 对 反 应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？化学反应速率角度3、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：催化剂对合成氨反应速率的影响条件 E /kJ/mol k(催 )/k(无 )无催化 剂 335 3.41012(700k)使用 Fe催化 剂 1671.升高温 度2.增大压 强3.增大反应物浓度4.使用催化剂5.增大 N2
5、H2浓度 ,将氨及时从混合气中分离出去使用催化剂可使合成氨反应的速率提高 上万亿 倍。【 小结 2】合成氨的适宜条件的选择合成氨的适宜条件的选择生成 物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压强速率分析使 NH3生产得 快外界条件高压高温使用增大浓度减小浓度平衡分析使 NH3生产得 多高压低温无影响增大浓度减小浓度研 讨 的内容 研 讨 的 问题 1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？压强怎么定？2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？3 、 催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要 不要使用催化剂 ，为什么
6、？温度怎么选择？要不要用催化剂？【 交流 研讨 4】工业流程角度1、压强怎么选？分析： 合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应， 增大 压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向 移动，所以理论上压强越大越好。 但是压强越大，对 设备 的要求高、压缩H2和 N2所需要的 动力 大，因此选择压强应符合实际科学技术。综合以上两点 :根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。 实际生产中压强一般选择在 200 500大气压 之间。2、温度怎么选择？分析： 因为正反应方向是 放热 的反应，所以 降低温度有利于平衡正向移动。 可是温度越低，反应速率 越小 ，达到平衡所需要的时间越 长 ，因此温度也不宜
7、太低。 催化剂 要在一定温度下催化 活性 最大。综合以上因素 :实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。3、用不用催化剂？实际生产中选用 铁 为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在 700K时 活性最高。分析 :经济效益 和 社会效益 要求化学反应速度要 快 ， 原料的利用率要 高 ，单位时间的产量要 高 。4、浓度怎么定？ N2 和 H2的比例怎么定？增大 反应物的 浓度 可以增大反应速率， 减小 生成物的浓度可以使 平衡正向 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 1： 3时，平衡转化率 最大 ，但是 实验测得 适当 提高 N2的浓度 ，即 N2和 H2
8、的物质的量比为 1： 2.8时，更能促进氨的合成。实际生产中的处理方法：及时将气态 氨 冷却液化分离出去；及时将 氮气和氢气循环 利用，使其保持一定的浓度。 即 N2和 H2的物质的量比为 1： 2.8外部条件 工 业 合成氨的适宜条件压 强温度催化 剂浓 度根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强适宜温度700K左右使用铁触媒作催化剂N2和 H2的物质的量比为 1： 2.8的投料比 , 氨及时从混合气中分离出去【 小结 3】【 小结 4】工业上利用某可逆反应生产产品：一般要 使用催化剂 ：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；选择 合适的温度 ：该温度是催化剂活
9、性最大的温度；选择 合适的压强 ：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。【 小结 反思】二、合成氨工业简述：1、主要流程：原料气制取 净化 压缩 合成 分离 液氨2、 原料气制取：空气压缩碳液态空气 N2(先逸出 ) 物理方法蒸发CO2(+N2) N2 化学方法 分离出 CO2制氮气 :（造气） （ 净化） （合成氨）制氢气 :天然气 CO+H2 CO2+H2 H2 H2O(气 ) 分离出 CO2 CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)H2O(气 )合成氨工厂一角合成氨工厂一角我国合成氨工业的发展情况：我国合
10、成氨工业的发展情况：我国合成氨工业开始于 20世纪 30年代， 1949年新中国成立时合成氨厂只有 3家，年生产能力不到0.6万吨。经过几十年的努力，我国已经拥有多种原料、不同流程的大 、 中 、 小合成氨厂 1000多家；到 2000年，合成氨年产量达到 3363.7万吨，从生产能力和产量上都位居世界前列。为了提高合成氨生产的能力，还可以在哪些方面做进一步改进？抗毒能力强的新型催化剂仿生固氮酶催化剂【 能力提高 】反馈练习D 1.工业合成氨反应是 700 K左右进行的，这主要原因是（ ）A.700 K 时氨的平衡浓度最大B.700 K 时此反应速率最快 C.700 K 时氨的转化率最高 D.700 K 该反应的催化剂能发挥最大的作用
