魯科版選修4 2.4化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨 課件（32張）.ppt

普通高中課程標準實驗教科書化學 選修化學反應原理 第二章第4節(jié) 化學反應條件的優(yōu)化 工業(yè)合成氨 合成氨工廠一角 n2 g 3h2 g 2nh3 g 弗里茨 哈伯 用空氣制造面包的天使 自1784年發(fā)現(xiàn)氨以后 人們一直在研究如何利用化學方法由氮氣和氫氣合成氨 德國化學家哈伯帶領科研團隊也從1902年開始研究氨的直接合成 但直到1913年才實現(xiàn)了氨的工業(yè)生產(chǎn) 弗里茨 哈伯與合成氨 合成氨從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了約150年的時間 德國科學家哈伯在10年的時間內(nèi)進行了無數(shù)次的探索 單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑 2年間他們就進行了多達6500次試驗 測試了2500種不同的配方 最后選定了一種合適的催化劑 鐵 使合成氨的設想在1913年成為工業(yè)現(xiàn)實 鑒于合成氨工業(yè)的實現(xiàn) 瑞典皇家科學院于1918年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學獎 我們一起來探究和合成氨的條件的選擇 回顧 氨氣的實驗室制法 課本p79頁 1 實驗室制備 1 原理 2 裝置 3 收集 4 干燥 2nh4cl ca oh 2 cacl2 2nh3 2h2o 固 固加熱型 與制o2相同 向下排空氣法 堿石灰 交流 研討1 合成氨反應是一個可逆反應 n2 g 3h2 g 2nh3 g 已知298k時 h 92 2kj mol 1 s 198 2j k 1 mol 1請根據(jù)正反應的焓變和熵變分析298k下合成氨反應能否自發(fā)進行 298k下合成氨反應的平衡常數(shù)k為 mol l 1 2 化學反應方向 交流 研討2 請利用化學平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成 化學平衡角度 數(shù)據(jù)一壓強對氨氣百分數(shù)的影響 數(shù)據(jù)二n2h2體積比對產(chǎn)率的影響 溫度 壓強有利于化學平衡向生成氨的方向移動 n2 h2體積比為 時平衡混合物中氨的含量最高 增大 降低 1 3 小結1 交流 研討3 1 你認為可以通過控制那些反應條件來提高合成氨反應的速率 2 實驗研究表明 在特定條件下 合成氨反應的速率與反應的物質(zhì)的濃度的關系為 c n2 c1 5 h2 c 1 nh3 請同學們根據(jù)關系式分析 各物質(zhì)的濃度對反應速率有哪些影響 可以采取哪些措施來提高反應速率 化學反應速率角度 3 請你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對合成氨反應速率的影響 催化劑對合成氨反應速率的影響 1 升高溫度2 增大壓強3 增大反應物濃度4 使用催化劑 5 增大n2h2濃度 將氨及時從混合氣中分離出去 使用催化劑可使合成氨反應的速率提高上萬億倍 小結2 合成氨的適宜條件的選擇 生成物氨的濃度 反應物的濃度 催化劑 溫度 壓強 速率分析 使nh3生產(chǎn)得快 外界條件 高壓 高溫 使用 增大濃度 減小濃度 平衡分析 使nh3生產(chǎn)得多 高壓 低溫 無影響 增大濃度 減小濃度 1 既然增大壓強既可提高反應速率 又可提高氨的產(chǎn)量 那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好 壓強怎么定 2 既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動 那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好 3 催化劑對化學平衡的移動沒有影響 在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑 為什么 溫度怎么選擇 要不要用催化劑 交流 研討4 工業(yè)流程角度 1 壓強怎么選 分析 合成氨反應是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應 增大壓強既可以增大反應速率 又能使平衡正向移動 所以理論上壓強越大越好 但是壓強越大 對設備的要求高 壓縮h2和n2所需要的動力大 因此選擇壓強應符合實際科學技術 綜合以上兩點 根據(jù)反應器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標來選擇壓強 實際生產(chǎn)中壓強一般選擇在200 500大氣壓之間 2 溫度怎么選擇 分析 因為正反應方向是放熱的反應 所以降低溫度有利于平衡正向移動 可是溫度越低 反應速率越小 達到平衡所需要的時間越長 因此溫度也不宜太低 催化劑要在一定溫度下催化活性最大 綜合以上因素 實際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700k左右 主要考慮催化劑的活性 3 用不用催化劑 實際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑 鐵觸媒 它在700k時活性最高 分析 經(jīng)濟效益和社會效益要求化學反應速度要快 原料的利用率要高 單位時間的產(chǎn)量要高 4 濃度怎么定 n2和h2的比例怎么定 增大反應物的濃度可以增大反應速率 減小生成物的濃度可以使平衡正向移動 從化學平衡的角度分析 在氮氣和氫氣的物質(zhì)的量比為1 3時 平衡轉(zhuǎn)化率最大 但是實驗測得適當提高n2的濃度 即n2和h2的物質(zhì)的量比為1 2 8時 更能促進氨的合成 實際生產(chǎn)中的處理方法 及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去 及時將氮氣和氫氣循環(huán)利用 使其保持一定的濃度 即n2和h2的物質(zhì)的量比為1 2 8 根據(jù)反應器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標來選擇壓強 適宜溫度700k左右 使用鐵觸媒作催化劑 n2和h2的物質(zhì)的量比為1 2 8的投料比 氨及時從混合氣中分離出去 小結3 小結4 工業(yè)上利用某可逆反應生產(chǎn)產(chǎn)品 一般要使用催化劑 這樣可以大大加快化學反應速率 提高生產(chǎn)效率 也提高了經(jīng)濟效益 選擇合適的溫度 該溫度是催化劑活性最大的溫度 選擇合適的壓強 既要考慮化學反應速率和化學平衡 還要考慮動力 材料 設備等 小結 反思 二 合成氨工業(yè)簡述 1 主要流程 2 原料氣制取 制氮氣 造氣 凈化 合成氨 制氫氣 ch4 g h2o g co g 3h2 g co g h2o g co2 g h2 g h2o 氣 合成氨工廠一角 合成氨工廠一角 我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況 我國合成氨工業(yè)開始于20世紀30年代 1949年新中國成立時合成氨廠只有3家 年生產(chǎn)能力不到0 6萬噸 經(jīng)過幾十年的努力 我國已經(jīng)擁有多種原料 不同流程的大 中 小合成氨廠1000多家 到2000年 合成氨年產(chǎn)量達到3363 7萬噸 從生產(chǎn)能力和產(chǎn)量上都位居世界前列 為了提高合成氨生產(chǎn)的能力 還可以在哪些方面做進一步改進 抗毒能力強的新型催化劑 仿生固氮酶催化劑 能力提高 反饋練習 d 1 工業(yè)合成氨反應是700k左右進行的 這主要原因是 700k時氨的平衡濃度最大700k時此反應速率