1、第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨联想质疑 自自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年年才实现了合成氨的工业化生产。经过研究人员的才实现了合成氨的工业化生产。经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨努力，几十年后建造了日产氨1000吨的大型装置。吨的大型装置。 化学反应化学反应N2(g)3H2(g) 2NH3(g) 看起来十分看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的发展过程长的发展过程?合成氨工厂为什么需要那么庞大
2、而合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件复杂的生产设备和特殊的生产条件?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： H=-92.2 kJmol-1,S=-198.2 JK-1mol-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？一、合成氨反应的限度N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 已知在298K时：H=-92.2 kJmol-1,S=-198.2 JK-1mol-1根据G=H-TS代入计算得G0，在298K时合成氨可自发进行。思考：在298K
3、该反应能自发进行吗？根据G=H-TS = 92.2KJmol-1298K(198.210-3KJK-1 mol -1 ) = 33.1KJmol-10因此，降低温度、增大压强降低温度、增大压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动。在一定温度、压强下，反应物氮气和氢气的体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高。思考：什么条件有利于氨的合成呢？二、合成氨反应的速率交流研讨1.可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨的反应速率？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
4、影响？可以采取哪些措施来调高反应速率？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)(1)温度：温度： (2)(2)压强：压强：(3)(3)浓度：浓度： (4)(4)催化剂：催化剂：升高温升高温度度增大压增大压强强增大反应物浓度增大反应物浓度使用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氨的合成反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气次方成正比，与氢
5、气浓度的浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。次方成反比。3.催化剂对氨的合成反应速率的影响催化剂对氨的合成反应速率的影响 结论：使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。因此，结论：使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。因此，要实现合成氨的工业化生产，使用适宜的催化剂是最有效的途径。要实现合成氨的工业化生产，使用适宜的催化剂是最有效的途径。工业合成氨的催化历程 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,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。 反应速率反应限度
6、转化率产量三、合成氨生产的适宜条件三、合成氨生产的适宜条件合成氨条件的选择合成氨条件的选择提高反应限度提高反应限度提高反应速率提高反应速率高压高压低温低温V(N2):V(H2)=1:3高压高压高温高温催化剂催化剂 V(N2):V(H2)=1:2.8思考：那么思考：那么实际生产中合成氨的适宜条件实际生产中合成氨的适宜条件如何选择呢？如何选择呢？问题问题1 1：压强怎么选？：压强怎么选？问题问题2 2：温度怎么选？：温度怎么选？问题问题3 3：要不要用催化剂？：要不要用催化剂？问题问题4 4：浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？ 合成氨适宜条件合成氨适宜条件催化剂催化剂_温度温度_根据设备动力选择压强根据设备动力选择压强_NN2 2、H H2 2投料比投料比_及时分离及时分离_铁铁700K700K左右左右( (催化剂的活性温度催化剂的活性温度) )1 110107 7 1 110108 8PaPa1:2.81:2.8氨气氨气小结：
