高二化学学案第4节化学反应条件的优化——工业合成氨-课前案

高二化学学案第4节化学反应条件的优化——工业合成氨
课前案
1．了解合成氨反应的特点以及外部条件对合成氨反应的影响。

(重点)
2．了解工业生产条件选择的依据和原则。

3．知道化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域的重要作用。

一、合成氨反应的限度
1．反应原理：合成氨反应的化学方程式为：N2(g)＋3H2(g)=2NH3(g)
2．影响因素
(1)结合化学平衡移动规律可知，温度、压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。

(2)在一定的温度和压强下，反应物中氮气和氢气的体积比为时平衡混合物中氨的含量最高。

在298 K时，合成氨反应的ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1，该温度下，合成氨反应能否自发进行？
二、外界因素对合成氨反应速率的影响
1．浓度
在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为
v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由关系式可知， N2或H2的浓度， NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。

2．温度：温度越高，反应进行得越快。

3．催化剂
加入适宜的催化剂能合成氨反应的活化能，使化学反应速率提高上万亿倍。

4．压强：压强越大，反应速率越快。

(1)工业合成氨压强越高越好。

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(2)合成氨反应加入催化剂能增大产率。

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三、合成氨的适宜条件
1．合成氨反应条件的选择依据
工业生产中，必须从和两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。

提高反应的平衡转化率提高化学反应速率
性质措施性质措施
放热低温活化能高适当提高N2的比例分子数减小高压低温时反应速率低高温
反应可逆原料循环使用原料气浓度增加能提高反应速率增大原料气浓度
氨气浓度增加能降低反应速率分离氨
2.实际生产中合成氨的适宜条件
(1)压强：加压有利于提高反应速率和原料的转化率，但要考虑设备和技术条件等，实际选择压强为1×107
Pa ～1×108
Pa 。

(2)温度：高温有利于提高反应速率，低温有利于提高原料的转化率，还要考虑催化剂的活性，实际选择温度为700 K 左右。

(3)催化剂： 。

(4)浓度：①及时补充N 2和H 2，增大反应物浓度。

②及时分离出NH 3，减小生成物浓度。

【难点突破】 1．合成氨工业的流程
原料气的制取—净化—压缩—合成—分离—液氨 原料气的制取
N 2：液化空气，蒸发分离出氮气 H 2：用水和燃料在高温下制取。

如
C ＋H 2O(g)=====高温CO ＋H 2，CO ＋H 2O(g)=====高温
CO 2＋H 2 2．氨的合成
(1)主要设备：合成氨塔。

(2)反应原理：N 2＋3H 2高温、高压催化剂
2NH 3。

(3)反应条件： 反应条件
对反应速率的影响
对平衡时混合物中氨含
量的影响
合成氨条件的选择 增大压强
有利于提高反应速率
有利于提高平衡时混合
物中氨含量
压强越大，对设备、材料、技术的要求就越高，
生产成本也越高，综合考虑，工业上采用的压强为1×107
Pa ～1×108
Pa
升高温度
有利于提高反应速率
不利于提高平衡时混合
物中氨含量
工业上一般采用700 K
左右的温度，在这个温度时，铁催化剂的活性
也最大
增大反应物浓
度
有利于提高反应速率 N 2和H 2的浓度之比为
1∶3时，平衡转化率最
高
但实验表明，N 2和H 2的
浓度比为1∶2.8时，更能促进合成氨反应的进行。

工业上通常采用1∶2.8的比例投料，并
(1)从可逆性、反应前后气体化学计量数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。

(2)根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。