合成氨条件的选择(用)

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6、在一定条件下，将N2和H2的混和气体通入固定容积的 密闭容器中进行合成氨反应：N2+3H2 2NH3 (正 反应为放热反应) 下列图像表示正确的是：
（ A C ）
(A)
(B)
(C)
(D)
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[背景资料]
哈伯和哈伯法合成氨
19世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑 到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我 们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空 气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式， 在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的 重大课题。哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和 理论研究的化学家之一。
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合成氨的化学反应原理
N2+3H2
铁触媒
500º C
20MPa----50MPa
2NH3
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合成氨工业的主要流程：
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合成氨生产示意图
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合成氨简要流程示意图
氨 分 离 器
合 成 塔
液氨
氢氮混和气
水冷器
循环压缩机
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[讨论] 工业上选择适宜化工生产条件要坚持
(A)从合成塔出来的气体，其中氨一般占15%，所以生 产氨的工业的效率都很低 (B)由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来 氨的产率很高
(C)合成氨工业的反应温度控制在500 ℃左右，目的 是使平衡向正反应方向进行
(D)合成氨工业采用20 MPa 下催化剂的活性最好
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50MPa ，是因该条件
从化学平衡的角度看：高压、低 温，平衡时生成物NH3的含量 （体积分数）高。
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一、合成氨的适宜条件 [讨论] 1、既然增大压强可提高反应速率，又可提高氨 的含量，那么在合成氨工业中压强是否越大越 条件 好？ 2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移 动，那么在合成氨工业中温度是否越低越好？
条件
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哈伯首先进行一系列实验，探索合成氨的最佳 物理化学条件。在实验中他所取得的某些数据与能 斯特的有所不同，他并不盲从权威，而是依靠实验 来检验，终于证实了能斯特的计算是错误的。在一 位来自英国的学生洛森诺的协助下，哈伯成功地设 计出一套适合于高压实验的装置和合成氨的工艺流 程，这流程是：在炽热的焦炭上方吹入水蒸汽，可 以获得几乎等体积的一氧化碳和氢气的混和气体。 其中的一氧化碳在催化剂的作用下，进一步与水蒸 汽反应，得到二氧化碳和氢气。然后将混和气体在 一定压力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了较 纯净的氢气。同样将水蒸汽与适量的空气混和通过 红热的炭，空气中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧 化碳而被吸收除掉，从而得到了所需要的氮气。
N2+3H2
特点： a、可逆反应
2NH3
(正反应为放热反应)
b、正反应为放热反应 c、正反应是气体体积缩小的反应。
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[问题2] 要提高合成氨的生产效益，具体应从哪 些方面来考虑？ 提 高 合 成 氨 的 生 产 效 益
要使氨生成得更快（即提高单 位时间里氨的产量）
——化学反应速率问题 要使氨生成得更多（即提高平衡 混合物里氨的含量）
条件
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合 成 氨 的 适 宜 条 件
选择合适的压强：20MPa~50MPa，有利 于氨的合成，该压强下进行生产，对动 力、材料、设备等来说正合适。 选择合适的温度：500℃左右，提高反应 速率，又是合成氨催化剂的活性温度； 使用催化剂：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
浓度：将氨气液化后及时分离出来，所 得原料气（过量N2、H2）循环使用，并 及时补充N2、H2
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7.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) （正反应为放热反应）( A.高温 高压 C.高温 低压
D )
X2Y4 (g)
B.低温 低压 D.高压 低温
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8.对于反应: 2SO2(g)+O2 (g) 下列判断正确的是( BC )
2SO3 (g)
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
什么原则？ 选 择 适 宜 生 产 条 件 原 则
1、注意外界条件对化学反应速率和化 学平衡影响的一致性，还要注意对化 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
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[小结]
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用N2 、H2 在600℃、200个大气压，合成出 氨, 产率为2％。1911—1913年短短两年内 产率不仅提高了，而且合成出了1000吨液 氨。 1918年获得了诺贝尔化学奖。
以后，合成氨技术又有了很多改进， 使合成氨产量不断提高。
我国合成氨生产情况怎样？
我国有合成氨生产企业570多家，其中 2004年产量达30万吨以上的有30家，超过50 万吨的已有4家。预计今年全国合成氨产量 有可能超过4600万吨，比上年增产约380万 吨。产量位居世界第一。
3、催化剂对化学平衡没有影响，在合成氨工业 中是否需要使用催化剂？ 条件 [提示] 综合考虑化学反应速率和化学平衡移动的 原理，再根据工业生产特点和实际需要，选择合 成氨的适宜条件。 条件
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[讨论]
从表2-3数据表明，即使在500º C和30MPa的条 件下，平衡混和物中氨的含量仅达26.4%，即 转化率仍不够大，为了使平衡向生成氨的方向 移动，提高N2、H2的转化率,还可以采取哪些措 施？
(A)不断将NH3分离出来
(B)使用催化剂
(C)采用500 ℃左右的高温
(D)采用20 MPa---- 50MPa的压强
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4、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
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5、关于氨的合成工业的下列说法正确的是 （ B ）
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2、在一密闭容器中，N2、H2合成氨的反应已达到 平衡。此时再往容器中通入一定量N2,保持温度和 容器体积不变，当反应再次达到平衡时，与第一 次平衡状态相比（ ＢＣ） （Ａ）ＮＨ３的百分含量增大
（Ｂ）ＮＨ３的浓度增大
（Ｃ）Ｈ２的转化率提高 （Ｄ）Ｎ２的转化率提高
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3、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：（ B C ）
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【练习】
硫酸工业中有一步反应为：
5000C 2SO2(g)+O2(g) V O 2SO3(g)(正反应为放热反应)； 2 5 Fe、5000C N 合成氨反应为： 2+3H2 20MPa～50MPa 2NH3 (正反应为 放热反应)。
两个反应的条件是否相同？从化学平衡角度分析 两个反应特点是否相同？试分析其中原因。 （已知常压下平衡时SO3的体积分数为91﹪）
合 成 氨 的 适 宜 条 件 压强：20MPa---50MPa
温度：500º C左右
催化剂：铁触媒
浓度：将氨气液化后及时分离出 来，所得原料气（过量N2、H2） 循环使用，并及时补充N2、H2
铁触媒 500º C 20MPa----50MPa
合成氨的反应原理：
N2+3H2
2NH3
背景资料
练习题
思考题
——化学平衡问题
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[讨论] 针对反应特点，根据外界条件对化学反应速率的影响，说 明要使合成氨的化学反应速率增大，应采取哪些措施？应用化学 平衡移动原理，说明要提高平衡混合物中氨气的含量，应采取哪 些措施？
合成氨反应 N2+3H2
目的 条件 选择
2NH3（正反应为放热反应）
使NH3生成得多 （从化学平衡分析）
是他发明了合成氨廉价的催 哈伯（F.Haber）化剂，使生产效率显著提高， （1868-1934） 生产成本明显降低。
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合成氨工业的发展历程
1、用N2 、H2为原料合成氨的工业生产，曾 是 一个很艰巨的课题。 ①1900年，法国化学家勒夏特列认为， N2 、 H2可以在高压下直接化合成氨。但在用实验 验证时发生了爆炸，于是他觉得有危险，放 弃了研究。 ②稍后，德国化学家能斯特，通过计算认为 合成氨不能实现。使合成氨又惨遭厄运。 ③德国化学家哈伯知难而进，1908年7月在实 验室
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利用氮、氢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。1795年有人试图在常压下进行氨合成，后来又有人在 50个大气压下试验，结果都失败了。19世纪下半叶，物理化 学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆 的，增加压力将使反应推向生成氨的方向：提高温度会将反 应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化 剂对反应将产生重要影响。这实际上就为合成氨的试验提供 了理论指导。当时物理化学的权威、德国的能斯特就明确指 出：氮和氢在高压条件下是能够合成氨的，并提供了一些实 验数据。法国化学家勒夏特里第一个试图进行高压合成氨的 实验，但是由于氮氢混和气中混进了氧气，引起了爆炸，使 他放弃了这一危险的实验。在物理化学研究领域有很好基础 的哈伯决心攻克这一令人生畏的难题。
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假如你自己就是一个合成氨工厂的厂 长，你最关心的是什么？对整个生产过程 会有怎样的要求？（常温常压下，合成氨 的反应进行得非常慢，几乎不能觉察P57)
提高单位工作时间内产品的产量以及原 料的利用率，提高合成氨的生产效益。
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[问题1] 请同学们写出合成氨的化学反应方
程式，并分析这个反应有什么特点？
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巩固练习
1.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( C ) 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
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.
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9.在一定条件下,合成氨反应达到平衡后,混合
气体中NH3的体积占25%,若反应前后条件保持
不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物体
积的之比是( A ) A
1 5
B
1 4
C
1 3
D
1 2
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目录
目
录
1、合成氨的化学反应方程式、特点 2、分析合成氨的合适条件 3、工业上合成氨的合适条件 4、选择适宜化工生产条件的原则 5、合成氨工业发展前景 6、小结 7、练习 8、哈伯和哈伯法合成氨背景资料
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合成氨条件的选择
梅山高级中学 韩菊仙
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资料
诺贝尔化学奖 1918年颁给了德国化学家 哈伯（F.Haber ） 是他发明了合成氨方法， 并投入了生产； 1931年颁给了德国化学家 波施（C.Bosch）
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氮气和氢气的混和气体在高温高压的条件下及 催化剂的作用下合成氨。但什么样的高温和高压条 件为最佳？以什么样的催化剂为最好？这还必须花 大力气进行探索。以楔而不舍的精神，经过不断的 实验和计算，哈伯终于在1909年取得了鼓舞人心的 成果。这就是在600℃的高温、200个大气压和锇为 催化剂的条件下，能得到产率约为8％的合成氨。8 ％的转化率不算高，当然会影响生产的经济效益。 哈怕知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高 的转化率，在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化 率几乎接近于100％。怎么办？哈伯认为若能使反应 气体在高压下循环加工，并从这个循环中不断地把 反应生成的氨分离出来，则这个工艺过程是可行的。 于是他成功地设计了原料气的循环工艺。这就是合 成氨的哈伯法。 返回前景 返回小结
使NH3生成得快 （从反应速率分析）
压强
温度
高压
高温 使用催化剂 增大反应物浓度
高压
低温 无影响
增大反应物浓度 减小生成物浓度
催化剂
浓度
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请同学们对比下表的实验数据，检查自己的理论 推断是否正确。
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分别从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合 成氨的合适条件。
结
论
从反应速率的角度看：温度越高、 压强越大，化学反应越快， 使用 合适的催化剂，反应加快，单位 时间内生成的NH3越多；