2018年高中化學(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)合成氨課件11 魯科版選修4.ppt

第2章 第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化 工業(yè)合成氨,回顧一段歷史 ,勒夏特列,能斯特,氨(NH3),理論計(jì)算： 高壓條件下：,勒夏特列,德國物理學(xué)家、 化學(xué)家能斯特,理論計(jì)算：合成氨是不能進(jìn)行的！,熱力學(xué)數(shù)據(jù),快找哈伯來！,我要成為百萬富翁啦！啦！,1908年7月，哈伯在實(shí)驗(yàn)室用N2和H2在600，200個大氣壓下合成出氨，產(chǎn)率僅有2%,德國化學(xué)家 弗里茨哈伯,1911年到1913年，合成了1000噸液氨，并且用它制造出3500噸烈性炸藥TNT,討論1：假如你是一個工廠的廠長， 對工業(yè)生產(chǎn)你主要應(yīng)考慮哪些問題？,經(jīng)濟(jì)效益和社會效益：,增大化學(xué)反應(yīng)速率,單位時間內(nèi)產(chǎn)率高,增大化學(xué)反應(yīng)限度,原料的利用率高,另外還要考慮生產(chǎn)中的消耗能源、原料來源、設(shè)備條件、環(huán)境保護(hù)等因素。,提高綜合經(jīng)濟(jì)效益,原理探討,實(shí)際論證,單位時間里提高合成氨的產(chǎn)量,（從化學(xué)反應(yīng)的速率考慮）,提高平衡混合物中氨的含量,（從化學(xué)平衡的移動考慮）,從生產(chǎn)成本、動力、材料、設(shè)備 等對上述理論探討進(jìn)一步論證，以得出合理的結(jié)論。,一 、合成氨反應(yīng)的限度,1、請根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變， 分析K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？,資料：交流 研討,、請利用化學(xué)平衡移動的知識分析 什么條件有利于氨的合成？,討論2：請同學(xué)們寫出合成氨的化學(xué)反應(yīng)方程式，并討論說明這個反應(yīng)方程式有什么特點(diǎn)？,N2+3H2 2NH3,（正反應(yīng)放熱）,特點(diǎn)： a、可逆反應(yīng) b、正反應(yīng)放熱 c、正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng),達(dá)到平衡時平衡混合物中NH3的含量 （體積分?jǐn)?shù)） V(N2):V(H2)=1:3 ,資料：,二、合成氨反應(yīng)的速率,1、結(jié)合影響反應(yīng)速率的因素， 思考什么條件 能使氨生成得快？,升高溫度 增大壓強(qiáng) 增大反應(yīng)物濃度 使用催化劑,資料：交流 研討,討論：請同學(xué)們根據(jù)合成氨的特點(diǎn)，從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個角度來綜合分析，合成氨應(yīng)采取什么反應(yīng)條件？,高壓,高壓,高溫,低溫,使用,不影響,高壓,高壓,高溫,低溫,使用,不影響,一致,矛盾,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？,既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？,思考,在合成氨工業(yè)中要使用催化劑，既然催化劑對化學(xué)平衡的移動沒有影響，為什么還要使用呢？,【交流研討】,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，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？,3、 催化劑對化學(xué)平衡的移動 沒有影響， 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？,要不要催化劑？,壓強(qiáng)怎么選？,分析： 合成氨反應(yīng)是體積縮小的氣體反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。 但是壓強(qiáng)越大，對設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動力大，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。,綜合以上兩點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中壓強(qiáng)一般選擇在200500大氣壓之間。,思考,問題,溫度怎么選擇？,分析： 因?yàn)檎磻?yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫 度有利于平衡正向移動。, 可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)到平衡所 需要的時間越長，因此溫度也不宜太低。, 催化劑要在一定溫度下催化活性最大。,綜合以上因素，實(shí)際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）。,思考,問題,鐵觸媒催化能力,用不用催化劑？,思考,問題,催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響,使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。,用不用催化劑？,實(shí)際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在500時活性最高。,分析: 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快，原料的利用率要高，單位時間的產(chǎn)量要高。,思考,問題,思考,問題,即使在500和30MPa時，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？,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, = C(N2) C1.5(H2) C-1(NH3),N2+3H2 2NH3,（正反應(yīng)放熱）,分析：保持一定的N2、H2濃度，減少氨氣 的濃度，可以提高合成氨的效率和產(chǎn)量。,實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時將氣態(tài)氨冷卻液化而分離出去；及時補(bǔ)充氮?dú)夂蜌錃?，使其保持一定的濃度?思考,問題,即使在500和30MPa時，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？,還可以在哪些方面做進(jìn)一步的改進(jìn)？,增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率也可以減小生成物的濃度使平衡正向移動。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1：3時，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的分壓比為1：2.8時，更能促進(jìn)氨的合成。,既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率， 也不能只追求高反應(yīng)速率，而應(yīng)該,研討的結(jié)果,高壓 200500大氣壓,適宜溫度 700K左右,使用鐵觸媒作催化劑,液化氨并及時分離、補(bǔ)氮?dú)湓蠚庋h(huán) n(N2):n(H2)=1:2.8 ,合成氨廠的實(shí)地照片,合成氨工業(yè)流程,原料氣的制取,凈化,壓縮,合成,分離,液氨,小 結(jié),1、合成氨的工業(yè)條件的選擇 反應(yīng)速率和化學(xué)平衡共同作用的結(jié) 2、選擇合成氨的條件時，既不能片面地 追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速 率，而應(yīng)該,合成氨選擇適宜生產(chǎn)條件的原則,1.既要注意外界條件對反應(yīng)影響的一致性， 又要注意外界條件對反應(yīng)影響的矛盾性。,2.既要注意溫度、催化劑對速率影響的一致 性；又要注意催化劑的活性對溫度的限制。,3.既要注意注意理論上的需要，又要注意 實(shí)際操作的可能性。,小 結(jié),工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品： 一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益； 選擇合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度； 選擇合適的壓強(qiáng)：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要考慮動力、材料、設(shè)備等。,【 小結(jié)反思】,課 堂 反 思,1、知識收獲：,2、方法收獲：,3、我的疑惑：,C,2.下列事實(shí)中不能用勒夏特列原理來解釋的是（ ）,A.工業(yè)制硫酸的過程中通入足量的空氣,可以提高SO2的產(chǎn)率,B.加入催化劑有利于合成氨反應(yīng),C.高壓有利于合成氨反應(yīng),D.500左右比室溫更有利于合成氨反應(yīng),BD,3、密閉容器中的可逆反應(yīng)：CO + NO2 CO2 + NO （正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。達(dá)到平衡后，只改變下列的一個條件，填寫有關(guān)的空白：,增大容器的體積，平衡 ，c（NO2）將 ， 反應(yīng)混合物的顏色 。 升高溫度，平衡 ，體系的壓強(qiáng) 。 加入催化劑，平衡 ，NO2的物質(zhì)的量 。 通入O2，反應(yīng)體系的顏色 ，NO的物質(zhì) 的量 。 通入N2 ，體系壓強(qiáng) ，平衡 。,不移動,減小,變淺,逆向移動,不變,不移動,不變,先變深，后變淺,先減少，后增多,增大,不移動,