鲁科版_工业合成氨 (1)

穿越历史
背景资料：19世纪初，人们就认 识到氮肥在农业中的巨大作用。 当时含氮化合物主要来自智利的 硝酸钠矿，有限的矿产资源使得 含氮化合物的价格十分高，不能 满足工农业的需要。大气的五分 之四都是氮，工业固氮，成为一 项受到众多科学家关注重大课题。
资料一 1900年，法国化学家勒夏特列通过理论计 算，认为氮气和氢气可以直接化合生成氨。在 实验验证过程中发生了爆炸，以失败告终。
资料四
第一次世界大战爆发时，军事专家曾预测：由于含氨化合物 的短缺，大战将在一年之内结束。到了1913年的第一次世界大战时, 哈伯已为德国建成了无数个大大小小的合成氨工厂,为侵略者制造 了数百万吨炸药因而延长了这场殃祸全球的世界大战.这就是第一 次世界大战德国为什么能坚持这么久的谜底. 一次大战爆发后，哈伯首先研制出军用毒气氯气罐。德军统 帅在哈伯的建议下，在伊普雷地区揭开了世界第一次化学战的帷幕 。致使５千多人死亡，一万五千多人中毒致伤.化学武器在一次大 战中造成近130万人的伤亡，占大战伤亡总人数的4.6％，哈伯则成 了制造化学武器的鼻祖，人类的罪人。 1918年瑞典皇家科学院因哈伯在合成氨发明上的杰出贡献， 决定授于他诺贝尔化学奖，因哈伯在一战中的表现，使世界许多科 学家提出异议.
第2章 第四节
化学反应条件的优化 —工业合成氨
复 习
影响化学反应速率和化学平衡 的重要因素有哪些?
化学反应速率 化学平衡
升高温度,平衡向吸 温度越高,反应速 热方向移动 率越大 气体压强 压强越大,反应速 增大压强,平衡向气体体 率越大 积减小的方向移动 催化剂 正催化剂加快反应 催化剂对平衡无影响 速率 反应物浓度越大,反 增大反应物浓度,平 浓度 衡正向移动 应速率越大 温度
二、合成氨工业简述：
1、主要流程：
原料气制取
（造气）
净化
（净化）
压缩
合成
分离
液氨
（合成氨）
2、原料气制取： 制氮气:
压缩
液态空气 CO2(+N2)
蒸发
N2(先逸出) 物理方法 N2 化学方法
空气
碳
分离出CBiblioteka Baidu2
制氢气:
天然气
H2O(气)
CO+H2
H2O(气)
CO2+H2
分离出CO2
H2
CH4(g)+H2O(g) CO(g)+H2O(g)
数据分析
回到现实
温度怎么定？
①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。 ②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡 所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。 ③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）。
回到现实
是否使用催化剂？
经济效益和社会效益要求化学反应速 度要快，单位时间的产量要高。
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。
NH3% 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
0.1
1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6
N2:H2
回到现实
浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
CO(g)+3H2(g) CO2(g)+H2(g)
请你来当硫酸厂厂长
已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0
450℃ (1) 应选用的温度是______ 。 因为常压下SO2 常压 理由是__________ (2)应采用的压强是______, 的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率 _______________________________________________ 提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。 __________________________________
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N2和H2的物质 的量比为1：2.8时，氨的合成速率更快。
实际生产中的处理方法：及时将气
态氨冷却液化分离出去；氮气和氢气物质 的量比为1：2.8并循环利用，使其保持一 定的浓度。
3.4×1012(700k)
化学中的辩证思想
工业上选择适宜化工生产条件要坚持的原则 1、既要注意外界条件对化学反应速率和化学反 应的限度影响的一致性,又要注意对化学反应速 率和化学平衡影响的矛盾性； 2、既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性， 又要注意催化剂的活性对温度的限制； 3、既要注意理论上的需要，又要注意实践中的 可能性。 总之，既不能片面追求高转化率，也不能只追求 高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获得 适当的平衡转化率的反应条件。
化工厂办厂指南
工业上利用某可逆反应生产产品： 先判断反应的方向→结合反应的限度、反 应的速率和动力、设备等选择适宜的条件
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 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。
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
帮助哈伯走出困境
二、反应慢问题如何解决
1、实验研究表明，在特定条件下，合成氨 反应的速率与参与反应的物质的浓度的关 系式为ν=kc(N2) c1.5(H2)c-1(NH3)。 2、催化剂对合成氨反应速率的影响。
条件 无催化剂 使用Fe催化剂 △ E a(KJ/mol) 335 167 K(催)/k(无)
回到现实
压强怎么选？
①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。
②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。
勒夏特列
稍后，德国物理化学家能斯特通过理论 计算，竟然认为合成氨是不能进行的。
能斯特
哈伯没有盲从权威，而是依靠实验来检验 自己计算的数据，终于合成氨反应是能发生的。
将空气制造为面包
请你算一算 反应的自发性
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
已知298K时: △H= -92.2 KJ· mol-1 △S = -198.2 J· K-1· mol-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？
资料二
哈伯经过多次实验，发现：当温度升高到 1000℃时，氨的产率仅为0.012%，还不如低温 时的产率；降低反应温度时，反应却变得十分 缓慢。哈伯的研究陷入困境。
帮助哈伯走出困境
一、产率低问题如何解决
N2(g)+3H2(g)
A 可逆反应 B 正反应是放热反应 C 正反应是气体体积减小的反应
2NH3(g)反应特点:
忐忑的哈伯
他是天使，为人 类带来丰收和喜 悦，是用空气制 造面包的人！
他是魔鬼，给人 类带来灾难、痛 苦和死亡！