化学反应条件的选择——工业合成氨

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

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。
【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)
【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
【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
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
【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。 ______________________________
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。
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
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。
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？
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。
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
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？
降低温度，
增大压强
有利于化学平衡向生成氨的方向移动
NH3%
N2、H2体积比对产率的影响图 0.6 0.5 0.4
在温度压强一定时，N2、H2体积比为 0.3 1：3 时平衡混合物中氨的含量最高。 0.2 在反应达到一定转化率时，将产物 0.1 氨气及时从混合气体中分离出去。 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 N2:H2
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？
已知298K时: △H= -92.2KJ· mol-1 △S = -198.2J· K1· mol-1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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

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。
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)
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】
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”。