化学反应条件的选择——工业合成氨
2.4化学反应条件的优化—工业合成氨 -2021-2022学年高一化学鲁科版(2019)选择性必修一
思考：1.可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨的反应速率？
(1)温度： 升高温度 (2)压强： 增大压强 (3)浓度： 增大反应物浓度 (4)催化剂：使用催化剂
思考：2.实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参 与反应的物质浓度的关系式为： v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3) 根据该关系式分析：式中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调高反应速率？
氨的合成反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气
浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。
三、合成氨生产的适宜条件
合成氨条件的选择
提高反应限度
高压 低温 V(N2):V(H2)=1:3
高压
提高反应速率 高温 催化剂 V(N2):V(H2)=1:2.8
思考：那么实际生产中合成氨的适宜条件如何选择呢？ 问题1：压强怎么选？ 问题2：温度怎么选？ 问题3：要不要用催化剂？ 问题4：浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
一、合成氨反应的限度
交流·研讨
工业合成氨的反应为：N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
1.已知在298K时：ΔH=-92.2 kJ·mol-1, ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1
根据反应的焓变和熵变分析在298K时合成氨反应能否正向自发 进行。
2.利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？
小结：
合 成 氨 适 宜 条 件
化学反应条件的优化——工业合成氨教案鲁科版
-游戏：设计一个关于合成氨反应条件的互动游戏，让学生在游戏中学习。
3.确定教学媒体和资源的使用
- PPT：使用PPT展示合成氨的反应原理、反应条件和优化方法的基本概念。
-视频：播放关于工业合成氨生产的视频，让学生了解实际生产过程。
-在线工具：使用在线模拟软件，让学生模拟不同条件下的合成氨反应。
-催化剂的选择和再生：如何选择合适的催化剂，以及如何进行催化剂的再生和更换。
7.勒夏特列原理的应用：通过勒夏特列原理分析反应条件的改变对平衡位置和产率的影响，从而优化反应条件。
8.数学模型的应用：使用数学模型来模拟和预测合成氨反应的结果，帮助优化反应条件。
教学反思与改进
我发现学生们在理解催化剂的作用机理方面有些困难，他们对于催化剂如何降低活化能的概念并不是很清晰。因此，我计划在未来的教学中，通过更具体的例子和动画演示，来帮助学生更好地理解这一概念。
5.催化剂的作用机理：催化剂通过降低活化能，提高反应速率，从而加快合成氨的反应进程。催化剂在反应过程中不消耗，但需要定期更换或再生。
6.实际工业生产中的挑战：
-原料气的处理：如何有效地处理原料气，提高氮气和氢气的纯度和稳定性。
-设备的腐蚀：合成氨反应产生的腐蚀性气体如何对设备造成腐蚀，如何选择合适的材料和防护措施。
回顾旧知：
简要回顾上节课学习的化学平衡知识，帮助学生建立知识之间的联系。
提出基础。
（三）新课呈现（预计用时：25分钟）
知识讲解：
清晰、准确地讲解工业合成氨的反应原理、反应条件和优化方法的基本概念。
突出重点，强调难点，通过对比、归纳等方法帮助学生加深记忆。
```
在实际的教学中，教师需要根据学生的实际情况，通过提问、讨论、实验、案例分析等多种教学方法，帮助学生理解和掌握这些重点和难点。同时，教师应该设计相应的练习和作业，让学生在实践中巩固所学知识。
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
弗里茨·哈伯
利用氮气、氢气为原料合成氨的工业化生产曾是一个
较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历 了150年的时间。
反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看起来十分简单，为
什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨
工厂为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？
应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？
化学反应的 方向
合成氨反应 能否自发进 行
化学工艺学
化学反应的 限度
怎样能使化 学平衡向合 成氨方向移 动
适 宜 的 合 成 氨 条 件
工 艺 流 程
化学反应的 速率
怎样能提 高合成氨 反应速率
高压对设备材质、加工 制造的要求、温度对催 化剂活性的影响等
【思考与交流】
3×107 Pa
6×107 1×108 Pa Pa
200 ℃
300 ℃ 400 ℃ 500 ℃ 600 ℃
15.3
2.2 0.4 0.1 0.05
81.5
52.0 25.1 10.6 4.5
86.4
64.2 38.2 19.1 9.1
89.9
71.0 47.0 26.4 13.8
95.4
84.2 65.2 42.2 23.1
考虑催化剂的活性
压强是否越大越好？
考虑设备的耐压能力
【研讨结果】
外部条件 压强
温度 催化剂 浓度
工业合成氨的适宜条件
2×107～5×107 Pa 适宜温度（500℃左右） 催化剂活性大 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
知识讲解-化学反应条件的优化—工业合成氨(提高)
化学反应条件的优化—工业合成氨 编稿：宋杰 审稿：张灿丽【学习目标】1、能用平衡移动原理（勒夏特列原理）解释一些生活、生产问题；2、理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件；3、了解合成氨生产的适宜条件和工艺流程。
【要点梳理】要点一、合成氨反应原理和特点。
1、反应原理：N 2（g ）+3H 2（g ）,高温高压催化剂2NH 3（g ）。
2、反应特点。
①可逆反应；②正反应是放热反应；③正反应是气体体积缩小的反应；④氨很容易液化。
要点二、合成氨适宜条件的选择。
1、适宜生产条件选择的一般原则。
对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和转化率，故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率，如合成氨中氮气与氢气的配比为1∶2.8。
选择条件时既要考虑反应的快慢——反应速率越大越好，又要考虑反应进行的程度——使化学平衡尽可能向正反应方向移动，来提高氨在平衡混合物中的体积分数。
2、合成氨条件选择的依据。
运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。
[归纳] 合成氨的适宜条件： （1）温度：500℃左右；（2）压强：20 MPa ～30 MPa ；（3）催化剂：铁触媒（500℃时其活性最强）。
除此之外，还应及时将生成的氨分离出来，并不断地补充原料气（N 2和H 2），以有利于合成氨反应。
要点三、合成氨工业的简介。
合成氨工业的简要流程：合成氨生产示意图2-4-1：1、原料的制取氮气：将空气液化、蒸馏分离出氮气或者将空气中的氧气与碳作用生成CO 2，除去CO 2后得氮气。
氢气：用水和燃料（煤、焦炭、石油、天然气等）在高温下制取。
主要反应有： C+H 2O （g ）高温CO+H 2CO+H 2O （g ）∆催化剂CO 2+H 2CH 4+H 2O （g ）700C 900C︒︒催化剂CO+3H 22CH 4+O 2950C︒催化剂2CO+4H 22、制得的氮气和氢气需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。
合成氨条件的选择
合成氨条件的选择1. 引言合成氨是工业上十分重要的化工原料之一，广泛用于生产化肥、塑料、药品等领域。
合成氨的制备过程中，选择合适的条件对于提高反应效率和降低能源消耗至关重要。
本文将讨论合成氨条件的选择，并重点探讨温度、压力和催化剂对合成氨合成反应的影响。
2. 温度对合成氨反应的影响温度是合成氨反应中一个重要的因素，能够直接影响反应速率和平衡转化率。
一般来说，反应温度越高，反应速率越快，但也伴随着更高的能量消耗。
合成氨反应的最佳温度一般在300-450摄氏度之间，超过450摄氏度会导致不可逆反应加剧，而低于300摄氏度则会降低反应速率。
因此，在实际工业生产中，需要根据具体情况选择适当的温度。
3. 压力对合成氨反应的影响压力是合成氨反应中另一个重要的因素，可以影响反应速率和平衡转化率。
一般来说，越高的压力有助于提高反应速率和转化率，但同样也伴随着更高的能耗和设备成本。
传统的合成氨工艺通常在高压下进行，压力达到数百至数千大气压。
然而，随着技术的发展，一些新型催化剂的出现使得在较低的压力下进行合成氨反应成为可能。
4. 催化剂对合成氨反应的影响催化剂在合成氨反应中起着至关重要的作用。
传统的合成氨工艺中使用的催化剂是铁-铁氧体催化剂，但这种催化剂需要高温高压条件下操作，能耗较高。
近年来，一些新型催化剂如铁-铝催化剂和铁-镍催化剂被证明具有更高的活性和选择性，而且在较低的温度和压力下也能实现合成氨反应。
此外，催化剂的载体和制备方法也对反应结果产生影响。
选用合适的载体能够提高催化剂的稳定性和活性，而制备方法则能够调控催化剂的微观结构，进一步改善其性能。
5. 其他因素的考虑除了温度、压力和催化剂，还有一些其他因素需要在合成氨反应条件的选择中考虑。
例如，反应物的比例和进料方式、反应器的设计和控制、反应物的纯度和水分含量等。
这些因素都会直接或间接地影响反应过程和产物的质量。
6. 总结综上所述，合成氨条件的选择对于提高反应效率和降低能源消耗至关重要。
高二选择性必修一化学考点归纳
高二选择性必修一化学考点归纳1.高二选择性必修一化学考点归纳篇一化学反应条件的优化——工业合成氨1、合成氨反应的限度合成氨反应是一个放热反应，同时也是气体物质的量减小的熵减反应，故降低温度、增大压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
2、合成氨反应的速率(1)高压既有利于平衡向生成氨的方向移动，又使反应速率加快，但高压对设备的要求也高，故压强不能特别大。
(2)反应过程中将氨从混合气中分离出去，能保持较高的反应速率。
(3)温度越高，反应速率进行得越快，但温度过高，平衡向氨分解的方向移动，不利于氨的合成。
(4)加入催化剂能大幅度加快反应速率。
3、合成氨的适宜条件在合成氨生产中，达到高转化率与高反应速率所需要的条件有时是矛盾的，故应该寻找以较高反应速率并获得适当平衡转化率的反应条件：一般用铁做催化剂，控制反应温度在700K左右，压强范围大致在1×107Pa～1×108Pa之间，并采用N2与H2分压为1∶2.8的投料比。
2.高二选择性必修一化学考点归纳篇二反应条件对化学平衡的影响(1)温度的影响升高温度使化学平衡向吸热方向移动;降低温度使化学平衡向放热方向移动。
温度对化学平衡的影响是通过改变平衡常数实现的。
(2)浓度的影响增大生成物浓度或减小反应物浓度，平衡向逆反应方向移动;增大反应物浓度或减小生成物浓度，平衡向正反应方向移动。
温度一定时，改变浓度能引起平衡移动，但平衡常数不变。
化工生产中，常通过增加某一价廉易得的反应物浓度，来提高另一昂贵的反应物的转化率。
(3)压强的影响ΔVg=0的反应，改变压强，化学平衡状态不变。
ΔVg≠0的反应，增大压强，化学平衡向气态物质体积减小的方向移动。
(4)勒夏特列原理由温度、浓度、压强对平衡移动的影响可得出勒夏特列原理：如果改变影响平衡的一个条件(浓度、压强、温度等)平衡向能够减弱这种改变的方向移动。
3.高二选择性必修一化学考点归纳篇三化学反应的方向1、反应焓变与反应方向放热反应多数能自发进行，即ΔH<0的反应大多能自发进行。
工业合成氨的条件
工业合成氨的条件工业合成氨是一种重要的化学反应过程，它是利用化学方法将氮气和氢气合成氨气。
合成氨广泛应用于农业肥料和化工领域。
本文将介绍工业合成氨的条件。
工业合成氨的条件包括适宜的温度、压力、催化剂和气体比例。
首先，合成氨的反应温度通常在300-500摄氏度之间。
在低温下，反应速率较慢，而在高温下，反应速率较快，但同时伴随着副反应的增加。
因此，选择适中的反应温度可以提高合成氨的产率和选择性。
合成氨的反应压力也是一个重要的条件。
氮气和氢气在高压下更容易发生反应生成氨气。
一般来说，较高的压力有利于提高反应速率和产氨量。
然而，过高的压力会增加设备的成本和能耗。
因此，需要根据实际情况选择合适的反应压力。
催化剂是合成氨反应的关键条件之一。
铁、铑、钼等金属催化剂广泛应用于合成氨反应中。
催化剂能够加速反应速率，降低反应活化能，提高反应选择性。
催化剂的选择应考虑其活性、稳定性和成本等因素。
氮气和氢气的比例也是影响合成氨反应的重要条件。
通常采用3:1的氮气和氢气比例进行反应，这是因为氮气和氢气在此比例下反应最为充分，能够达到最高的产氨效率。
如果比例不合适，将导致氮气或氢气的浪费，降低反应效率。
除了上述条件，反应器的设计和操作也对合成氨的产率和选择性产生影响。
合理的反应器设计可以提高反应效率和热能利用率。
同时，合适的操作条件，如适宜的进料速率、混合程度和反应时间等，也能够改善反应效果。
总结起来，工业合成氨的条件包括适宜的温度、压力、催化剂和气体比例。
合理选择这些条件可以提高合成氨的产率和选择性，降低生产成本，推动氨工业的发展。
工业合成氨的过程是复杂而重要的，需要综合考虑各个条件的影响，以实现高效、可持续的氨气生产。
化学反应条件的优化――――工业合成氨
化学反应条件的优化――――工业合成氨[知识要点]：一、合成氨的化学平衡分析：工业合成氨是可逆反应：N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) 已知298K时△H=－92.2KJ·mol-1△S=－198.2 J·K―1·mol―1可知，该反应在298K时是一个能进行的反应，同时也是气体的物质的量的减反应。
[结论] 因此温度压强将有利于化学平衡向生成的方向移动，在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为时，平衡混合物的氨的含量最高。
二、合成氨的反应速率分析：特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度关系为v=kC (N2)C1.5(H2)C―1(NH3),可知，合成氨反应的速率与氨气浓度的次方成，在反应过程中，随着氨气的浓度的增大，反应速率会逐渐，因此为保持足够高的反应速率，应适时将从混和气中分离出来。
使用___________可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍，此外温度越高，反应速率。
[结论] 有利于提高合成氨反应速率的措施有：①提高反应温度②使用催化剂③适当提高氮氢比④适时分离反应产物氨三、提高合成氨反应的平衡转化率和反应速率的措施四、实际生产中采取的措施：目前，合成氨生产中一般选择作为催化剂。
控制反应温度在左右，根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致可分为（1×107Pa）、（2×107～3×108Pa）、(8.5×107~1×108Pa)三种类型，通常采用氮气与氢气物质的量之比为的投料比。
且氮气氢气循环使用。
目前的工艺条件下，合成氨厂出口气的氨含量一般为。
五、合成氨生产流程合成氨的整个工业生产包括造气、净化、合成氨三大部分氮气来自于空气，将空气，先得液态，气体为造气氢气来自于含氢的天然气，煤、炼油产品，反应可表示为净化目的氨的分离（方法将液化）合成氨氮气、氢气的循环使用反馈练习1、合成氨工业的生产中，应采取的适宜条件是（）A、高温高压B、适宜的温度，高压催化剂C、低温低压D、高温，高压催化剂2、在一定温度和压强下，合成氨反应达到平衡时，下列操作不会使平衡发生移动的是（）A、恒温恒压时充入氨气B、恒温恒容时充入氮气C、恒温恒容时充入氦气D、恒温恒压时充入氦气3、工业合成氨一般采用700K左右的温度，其原因是（）①适当提高氨的合成速率②提高氢气的转化率③提高氨的产率④催化剂在700K时活性最大A、①B、①②C、②③④D、①④4、在合成氨工业中，达到下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是（）A、为增加NH3的日厂量，不断将NH3分离出来B、为增加NH3的日产量，使用催化剂C、为增加NH3的日产量而采用1×107Pa～1×108Pa 的压强D、为增加NH3的日产量，采用700K左右的高温5、二氧化氮存在下列平衡：2NO2(g)N2O4(g)(正反应为放热反应)。
高中化学《化学反应条件的优化——工业合成氨》教案
高中化学《化学反应条件的优化——工业合成氨》精品教案一、教学目标：1. 让学生了解工业合成氨的反应原理和过程。
2. 使学生掌握化学反应条件的优化方法。
3. 培养学生的实验操作能力和科学思维。
二、教学内容：1. 工业合成氨的反应原理及过程。
2. 影响化学反应速率的因素。
3. 化学反应条件的优化方法。
4. 实验操作技巧及注意事项。
三、教学重点与难点：1. 工业合成氨的反应原理及过程。
2. 影响化学反应速率的因素。
3. 化学反应条件的优化方法。
四、教学方法：1. 采用多媒体课件辅助教学，直观展示反应原理和过程。
2. 进行实验操作演示，引导学生动手实验。
3. 采用问题驱动教学，引导学生思考和探讨。
五、教学过程：1. 导入新课：介绍工业合成氨的重要性和应用领域。
2. 讲解反应原理：阐述工业合成氨的反应过程及化学方程式。
3. 分析影响反应速率的因素：温度、压力、催化剂等。
4. 讲解化学反应条件的优化方法：如何提高反应速率，降低成本。
5. 实验操作演示：引导学生动手进行实验，观察实验现象。
7. 布置作业：巩固所学知识，提高学生的实际应用能力。
六、教学评价：1. 采用课堂问答、讨论的形式，评估学生对工业合成氨反应原理的理解程度。
2. 通过实验操作，评价学生对化学反应条件优化方法的掌握情况。
3. 布置课后作业，评估学生对课堂所学知识的吸收和应用能力。
七、教学资源：1. 多媒体课件：用于展示工业合成氨的反应原理、过程及影响因素。
2. 实验器材：用于引导学生动手实验，优化化学反应条件。
3. 教学参考书：提供更深入的理论知识，帮助学生拓展视野。
八、教学进度安排：1. 第1-2课时：介绍工业合成氨的反应原理及过程。
2. 第3-4课时：分析影响化学反应速率的因素。
3. 第5-6课时：讲解化学反应条件的优化方法。
4. 第7-8课时：实验操作演示与实践。
九、教学反思：在教学过程中，关注学生的学习反馈，及时调整教学方法和节奏。
针对学生的薄弱环节，加强针对性辅导。
合成氨条件的选择
合成氨条件的选择1．复习重点1．如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。
2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。
2．难点聚焦1．合成氨条件的选择工业上用N 2和H 2合成氨： N 2+3H 2 2NH 3+Q 从反应速率和化学平衡两方面看，选择什么样的操作条件才有利于提高生产效率和降低成本呢？从速率看，温度高、压强大（即N 2、H 2浓度大）都会提高反应速率；从化学平衡看，温度低、压强大都有利于提高N 2和H 2的转化率。
可见，压强增大，从反应速率和化学平衡看都是有利于合成氨的。
但从生产实际考虑，压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，将使成本增大。
故一般合成氨厂采用的压强是20~50MPa 帕斯卡。
而温度升高，有利于反应速率但不利于N 2和H 2的转化率。
如何在较低的温度下保持较大转化率的情况下，尽可能加快反应速率呢？选用合适的催化剂能达到这个目的。
那么，较低的温度是低到什么限度呢？不能低于所用催化剂的活性温度。
目前使用的催化剂是以铁为主体的多成分催化剂——又称铁触媒。
其活性温度为450℃~550℃，即温度应在450~550℃为宜。
将来如制出活性温度更低、活性也很在的新型催化剂时，合成氨使用的温度当然比现在要低，转化率就能更高了。
选择适宜的条件：根据N 2+3H 2 2NH 3+Q 这一反应的特点，运用化学反应速 率和化学平衡的理论来选择适宜条件。
该反应为可逆、体积减小、正反应为放热等特点。
（1）适宜的压强：为何强调适宜？压强越大、有利于NH 3的合成，但太大，所需动力大，材料强度高，设备制造要求高，成本提高，选择2×107~5×107Pa 压强。
思考：工业上生产H 2SO 4：2SO 2(g)+O 2(g) 2SO 3(g)为何不采用加压方法？（因为在常压下SO 2的转化率已达91%，不需要再加压）（2）适宜的温度：温度越低越有利于NH 3的合成，为何还要选择5000C 高温？因为温度越低，反应速率越小，达平衡时间长，单位时间产量低，另外5000C 时，催化剂活性最大。
化学反应条件的优化---工业合成氨
书P65
2NH3(g)
合成氨反应的特点： 合成氨反应的特点：
N2(g)+3H2(g) (1体积 (3体积 体积) 体积) 体积 体积 2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol (2体积 体积) 体积
198.2J·K mol mol△S = -198.2J K-1·mol-1
①可逆反应 ②熵减小的反应 正反应气态物质系数减小 ③正反应气态物质系数减小 ④正反应是放热反应
工业上利用某可逆反应生产产品： 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 一般要使用催化剂： 使用催化剂 反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 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： 选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大 合适的温度 的温度； 的温度； 选择合适的压强： 选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和 合适的压强 化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。 化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。
的比例怎么定？ 4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？ 浓度怎么定？
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增大反应物的浓度可以增大反应速率， 增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小 反应物的浓度可以增大反应速率 生成物的浓度可以使平衡正向移动。 正向移动 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 的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3 平衡转化率最大 但是实验测得适当提高N 转化率最大， 实验测得适当提高 时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的 浓度， 的物质的量比为1 2.8时 浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促 进氨的合成。 进氨的合成。 实际生产中的处理方法： 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， 出去； 循环利用 液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使 的物质的量比为1 其保持一定的浓度。 其保持一定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1：2.8
【全程复习方略】高中化学(鲁科版)选修四配套课件：2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨
催化剂
2NH3。
(3)反应条件。
【特别提醒】合成氨的反应即使是在选择的适宜条件下，氨的
产率仍然很低，使原料不能充分利用。工业生产中，采用循环 操作的方法，及时将氨从反应混合物中分离出来，使原料气再 重新进入合成装置，提高原料利用率。
【典例1】合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。
【解析】(1)选A、C。使用铁催化剂，能同等程度地加快正逆
反应的速率，但正逆反应速率仍相等，因而平衡不发生移动， 只是可以缩短达到平衡所需的时间，不能用平衡移动原理来解 释。由于合成氨的正反应是一个气体分子数减小的反应，所以 增大压强可以使平衡向着生成氨的方向移动，可以用平衡移动
原理解释。合成氨反应是放热反应，低温虽然可以提高氨气的
二、外界因素对合成氨反应速率的影响 (1)合成氨反应的速率与哪些因素有关？ (2)合成氨时温度的控制考虑了哪些方面的因素？
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
增大 关系式为v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)，由关系式可知，_____ 降低 N 或H 的浓度，_____NH 的浓度，都有利于提高合成氨的速率。
(1)(双选)下列有关合成氨工业的叙述，不能用平衡移动原理 来解释的是_____。 A.使用铁催化剂有利于合成氨的反应 B.高压比常压更有利于合成氨的反应
C.500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D.使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应
(2)已知工业合成氨
N2(g) +3H2(g)
2NH3(g)
转化率 ，充分利 氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的_______
产量， 用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的____ 同时还要考虑设备的要求和技术条件。
高中化学【化学反应条件的优化—工业合成氨】讲义
化学反应条件的优化—工业合成氨发展目标体系构建1.结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗的多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。
2.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题。
1．合成氨反应的限度(1)反应原理N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
(2)反应特点(3)影响因素①外界条件：温度、压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
②投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为时平衡混合物中氨的含量最高。
微点拨：合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。
2．合成氨反应的速率(1)提高合成氨反应速率的方法(2)浓度与合成氨反应速率之间的关系在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知：N2或H2的浓度，NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
微点拨：温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。
3．合成氨生产的适宜条件(1)合成氨反应适宜条件分析工业生产中，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，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
(2)合成氨的适宜条件序号影响因素选择条件1 温度反应温度控制在左右2 物质的量N2、H2投料比3 压强1×107～1×108 Pa4 催化剂选择铁做催化剂5 浓度使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2(3)合成氨的生产流程的三阶段1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。
工业合成氨反应条件。
工业合成氨反应条件。
“合成氨反应式如下：(该反应为可逆反应，等号上反应条件为：“高温高压”，下为：“催化剂”)催化机理热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催
化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。
当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。
”
氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位，其中约有80%氨用来生
产化学肥料，20%为其它化工产品的原料。
氨主要用于制造氮肥和复合肥料，例如尿素、
硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。
氨作为工业原料和氨
化饲料，用量约占世界产量的1/2。
硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等
都须要轻易以氨为原料。
液氨常用作制冷剂，贮运商品氨中有一部分是以液态由制造厂运往外地。
此外，为确保制造厂内合成氨和氨加工车间之间的供需平衡，避免因短期事故而停工，须要设置液氨库。
液氨库根据容量大小相同，存有不冷藏、半冷藏和全冷藏三种类型。
液
氨的运输方式存有海运、驳船运、管道运、槽车运、卡车运。
工业合成氨的条件及原因
工业合成氨的条件及原因
工业合成氨是一项重要的工业化学工艺，在制 fertilizers、化工原料和其他领域中广泛应用。
它使用 N2 和 H2 的反应来生成氨，并需要一个特别的工业环境来促进这种反应的发生，以下是工业合成氨的条件及原因：
1. 高温：该过程需要高温反应，通常需要在400°C 至500°C 的高温下进行。
这是因为当温度较高时，N2 和 H2 分子的动能较高，它们将更有可能发生化学反应，形成氨分子。
2. 高压：除了高温外，该过程需要高压。
这是由于高压会增加氮气和氢气分子之间的相互作用力，从而使反应往氨的方向推进。
通常，需要使用 100 至 200 atm 的高压，以确保反应可行。
3. 催化剂：合成氨需要使用催化剂来加速反应过程。
通常使用铁、钴和镍等元素的氧化物作为催化剂，它们能够有效地降低反应所需的起始温度。
4. 比例：合成氨反应的成功还需要 N2 和 H2 的比例的正确比例。
通常情况下，需要三份氢气和一份氮气进行反应。
以上四个条件共同作用，实现了高效的工业合成氨，提供了足够的氨气，以满足各种需求。
总之，工业合成氨是一种非常复杂的化学反应，并需要特定的条件来
使它成功进行。
经过多年的研究和发展，现代工业合成氨过程已变得
非常成熟，可用于各种应用领域，为人类的生活和经济发展提供支持。
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
第2章 化学反应的方向、限度与速率
(1)有利于加快合成氨反应速率的措施有哪些？ (2)有利于合成氨反应平衡正向移动的措施有哪些？ 答案：(1)增大反应物浓度，升高温度，增大压强，使用催化剂 等。 (2)增大反应物浓度，及时分离出生成物，降低温度，增大压强 等。
栏目 导引
第2章 化学反应的方向、限度与速率
化学反应适宜条件选择的理论分析
外界 条件
浓度
有利于速率 高的条件控
增大反应物 的浓度
有利于平衡右移 的条件控制
综合分析结果
增大反应物的浓
增大反应物的浓 度、减小产物的浓
度、减小产物的浓 度，不断地补充反
度
应物，及时地分离
出产物
栏目 导引
第2章 化学反应的方向、限度与速率
外界 有利于速率提 有利于平衡右移 条件 高的条件控制 的条件控制
高压(有气体 参加)
ΔV(g)＜0 高压
ΔV(g)＞0
在设备条件允许的 前提下，尽量采取 高压 兼顾速率和平衡，
低压
选取适宜的压强
栏目 导引
第2章 化学反应的方向、限度与速率
对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，下列 叙述中正确的是( ) A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响 B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时 间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状 态有影响 D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作 用
栏目 导引
第2章 化学反应的方向、限度与速率
3．在容积相同的四个密闭容器中，分别充入下列四组混合气体， 并加入适当的催化剂，在 673 K 时建立化学平衡，H2 的转化率 由大到小的顺序是______________________________。 ①1 mol N2＋3 mol H2 ②2 mol N2＋3 mol H2 ③1 mol N2＋4 mol H2 ④1 mol N2＋4 mol H2＋0.5 mol NH3
化学反应条件的优化(合成氨工业的选择)
例题：已知2SO2(g)+O2(g)
△H＜0其实验数据见表
1.01×105 Pa 450℃ 97.5% 5.05×105 Pa 98.9% 不同压强SO2的转化率（%） 1.01×106 Pa 99.2%
2SO3 (g)
5.05×106 Pa 99.6%
1℃
85.5%
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 无催化剂 使用Fe催化剂 △ E /KJ/mol 335 3.4×1012(700k) 167 k(催)/k(无)
1.升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂
2.增大N2`H2浓度,将氨及时从 混合气中分离出去
弗里茨· 哈伯：
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，测试了2500种不同的配方，最 后选定了一种合适的催化剂，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。
3、用不用催化剂？
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。 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。
4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
（阅读书本67页）
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。
工业合成氨条件的选择
外界条件
使NH3生产得快 使NH3生产得多
速率分析
平衡分析
压强
高压
高压
温度
高温
低温
催化剂
使用
无影响
反应物的浓度
增大浓度
增大浓度
生成物氨的浓度
减小浓度
合成氨的反应
分析角度 反应条件
压强 温度 催化剂
△H<0
使合成氨的速率快 使平衡混合物中氨 的含量高
高压 一致 高压
高温 矛盾 低温
使用
不影响
1、压强怎么选？
_提__高__很__少__，_但__需__要__的__动_力__更__大__，__对_设备的要求更高。
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。一般压强10~30MPa
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。
外部条件 压强 温度
工业合成氨的适宜条件
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标（转化 率，动力，经济）来选择,压强10~30MPa
适宜温度，400~500℃左右 （主要考虑催化剂活性）
催化剂
使用铁触媒作催化剂，
思考？ 合成氨反应有哪些特点？
N2(g)+3H2(g) (1体积) (3体积)
2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol (2体积)
请利用化学反应速率和化学平衡移动的知识分析 什么条件有利于氨的合成？
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【巩固提升】
4.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物
的含量最高：X2(g)+2Y2 (g) X2Y4 (g)
（正反应为放热反应）( D
A.高温 高压 C.高温 低压
)
B.低温 低压 D.高压 低温
【巩固提升】
5.对于反应: 2SO2(g)+O2 (g) 下列判断正确的是( BC ) A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3 B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动 C.平衡时, SO2消耗速率必定等于O2的生成速率 的两倍 D.平衡时, SO2浓度必定等于O2浓度的两倍. 2SO3 (g)
哈伯的功与过
1905 年哈伯在慕尼黑出版了《工业气体反应热力 学》一书。书中阐述了他对氮、氢合成反应平衡 关系的研究。哈伯经过不断探索和不懈努力，从 常温常压到高温高压，从火花下反应到使用不同 催 化 剂 。 最 后 ， 在 200 个 大 气 压 和 温 度 在 500600℃时，氢、氮反应得到 6% 以上的氨。 1909 年 7 月，哈伯成功地建立了每小时能产生 80 克氨的实 验装置。哈伯为合成氨工业奠定了基础。耗时5年， 终于找到了合适的催化剂，并设计出能长期使用 和可操作的简便合成氨装置。
1914年第一次世界大战开始，在战争期间 该厂为德国提供了世界少有的氮化合物， 以生产炸药和化肥。在哈伯的建议下 ,德军 首次在战场上使用毒气 ,并有效地打击了敌 人。不过,当毒气战计划传达给德军师级指 挥官时,遭到了所有指挥官的拒绝。只有部 队被围困在伊普雷城的阿尔布雷希特公爵 予以支持。 3 个多月后,“毒气战”在伊普 雷战役中正式诞生 , 造成英法联军约 15000 人中毒,并带走了5000多人的性命。
1918 年，哈伯因研制合成氨作出重大贡献而获得 诺贝尔化学奖，由于第一次世界大战中哈伯为德 国军方研制杀人化学武器，哈伯被战胜国列入战 犯名单。来自英法两国的科学家尤其激愤。在他 们眼里,哈伯是个彻头彻尾的战争魔鬼。他的获奖 受到美、英、法等国科学家的指责，认为不应把 此奖授予一位不人道的科学家。瑞典皇家科学院 更看重科学本身。他们认为哈伯获奖当之无愧。 理由是他在 9 年前发明的工业化合成氨法,“使人 类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面”。在时 人眼里,哈伯就像一个可能“解救世界粮食危机” 的科学天使。然而,这个曾经被称为“利用空气制 造面包”的人 ,在得知自己获奖的消息后 ,还只能 躲在瑞士的乡下。1920年,哈伯的名字被从战犯名 单里剔除,瑞典皇家科学院为他举行了迟到的授奖 仪式。
思考：从反应的可逆性、热效应、气态物质系 数变化的角度分析合成氨的反应特点。 a、可逆反应 b、放热反应 c、气态物质系数减小的反应
反应的限度
合成氨反应：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 已知298K时: △H= -92.2KJ· mol-1 △S = -198.2J· K-1· mol-1
回顾：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
气体压强
化学平衡
温度
催化剂
浓度
增大压强, 反应速 增大压强,平衡向气态物 率加快 质系数减小的方向移动 升高温度, 反应 升高温度,平衡向吸 速率加快 热方向移动 催化剂加快反应速 催化剂对平衡无影响 率 增大反应物浓度,平 增大反应物浓度， 衡正向移动 反应速率加快
反应的速率
合成氨反应：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
已知298K时: △H= -92.2KJ· mol-1 △S = -198.2J· K1· mol-1
思考： 结合影响反应速率的因素，思考什么条 件能使氨生成得快？
反应的速率
合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为: ν =κ C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3) 思考：可以采取哪些措施来提高反应速率？ 增大N2、H2浓度， 将氨及时从混合气中分离出去
19世纪以前，有远见的化学家曾指出：考虑到
将来的粮食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须
寄希望于科学家能实现大气固氮——将空气中丰
富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。德国
化学家哈伯在1913年实现了合成氨的工业生产，
因此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人”。
弗里茨·哈伯
假如你是化工厂的老板， 你将如何选择合成氨的适宜反应条件？ 都要考虑哪些方面的问题？
研讨的内容
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？ 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
研讨的问题
研讨结果
压强怎么定？
温度怎么选择？
没有影响， 在合成氨工业中要 要不要用催化剂？ 不要使用催化剂，为什么？
【巩固提升】
2．工业合成氨的反应是在500℃左右进行，主 要原因是（ D ） A.500℃时反应速率最快 B.500℃时 NH3的平衡浓度最大 C.500℃℃时N2的转化率最高 D.500时催化剂能发挥最大效力
【巩固提升】
3、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是 （C）
(A)延长反应时间 (C)充入过量N2 (B)充入过量H2 (D)升高温度
反应的速率
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（KJ/mol） k(催)/k(无)
335 3.4×1012(700k) 167
讨论：催化剂是对合成氨反应速率的影响程度 如何？ 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍
铁 触 媒 催 化 能 力
适宜条件的选择
【交流研讨】
第2章 第四节
《 化学反应条件的优化——工业合成氨》
新汶中学 王菊 11.2
教学目标
【知识与技能】 应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的 适宜条件； 【过程与方法】 运用化学反应原理和化工生产条件选择的的思路 和方法分析问题 ，解决问题； 体验实际生产条件的选择与理论分析的差异； 【情感态度与价值观】 认识化学反应速率和化学平衡的原理在工业生产 中的重要作用，提升对化学反应的价值的认识，从而 赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。
已知298K时: △H= -92.2KJ· mol-1 △S = -198.2J· K1· mol-1
思考：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？
△H-T△S<0
反应能自发进行
反应的特点
合成氨反应：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 已知298K时: △H= -92.2KJ· mol-1 △S = -198.2J· K-1· mol-1
【试一试】
已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0
（催化剂：V2O5在400—500 ℃催化效果最好）
450℃ 。 (1) 应选用的温度是______ SO2 常压 ，理由是因为常压下 (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，但会增大设备成本。 ______________________________
适宜条件的选择
讨论：浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？ （阅读书本67页最后一段）
N2和H2的物质的量比为1：2.8，及时将气态氨冷却 液化分离出去；氮气和氢气循环利用.
适宜条件的选择
外部条件
研讨的结果
工业合成氨的适宜条件
压强
低压：100个大气压 中压：200—300个大气压 高压：850—1000个大气压 适宜温度 700K左右（催化剂活性最大） 使用铁触媒作催化剂
温度
催化剂
浓度
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， 未转化的N2和H2进行循环利用
【小结·反思】
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。
【试一试】
已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0
(3)在生产中，通入过量空气的目是
增大氧气浓度，提高SO2的利用率
（4）尾气中有SO2必须回收是为了 防止SO2污染空气
【巩固提升】
1．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下 列变化过程不能使平衡向右移动的是（ BC ）
（A）不断将NH3分离出来 （B）使用催化剂 （C）采用700K左右的高温 （D）采用2×107～5×107Pa的压强
基本思路
一、理论 1、反应能否自发进行？ （反应方向问题） △H-T△S<0 2、怎样能使氨气产得多？ （反应限度问题） 增大反应限度（平衡正向移动） 3、怎样能使氨气产得快？ （反应速率问题） 加快反应速率 二、实际 生产成本和生产条件
反应的方向
合成氨反应：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
不过 ,这场毒气战最终并没有给德国人带来
胜利,却让哈伯陷入了众叛亲离的境地。哈 伯的妻子克拉克也是化学博士 ,很清楚毒气 的危害。当她恳求丈夫放弃这种惨无人道 的武器时 , 丈夫不仅咒骂她 , 还声称毒气是 “尽快结束战争的人道武器”。哈伯认为, 作为战争工具的毒气 ,并不比“天上飞的弹 体”更残忍。这些言行遭到来自国际科学 界 的 一 致 谴 责 。 愤怒和无奈之下 ,克拉克用哈伯的手枪 自杀身亡。但这并没有促使狂热的爱国者 冷静下来。相反 , 他坚信自己所做的一切 , 都是“为了人类的和平,为了祖国的战争”。
思考：根据反应特点，结合化学平衡移动的知识， 分析什么条件能使氨气生成得多？