1、第二课时：第二课时：合成氨反应及其反应条件的选择合成氨反应及其反应条件的选择华东师范大学附属东昌中学华东师范大学附属东昌中学林夕勋林夕勋2011.5.36.3化工生产能否做到又快又多化工生产能否做到又快又多 一个化学反应能解决几十亿人的吃饭问一个化学反应能解决几十亿人的吃饭问题，有人称其为题，有人称其为“明星反应明星反应”，你知道是哪，你知道是哪个反应吗？个反应吗？在今天看来这个显而易见的反应，在论证这个反应在今天看来这个显而易见的反应，在论证这个反应能否发生的问题上，却成了两位诺贝尔化学奖获得者能否发生的问题上，却成了两位诺贝尔化学奖获得者“勒夏特列和能斯特勒夏特列和能斯特”的滑铁卢的滑铁卢
2、“败败”。德国化学家哈伯因为攻克这个世界难题，实现合成德国化学家哈伯因为攻克这个世界难题，实现合成氨工业化氨工业化,而获得诺贝尔化学奖而获得诺贝尔化学奖“成成”。同时也是因为这个反应使哈伯堕落同时也是因为这个反应使哈伯堕落“败败”。败因它、成因它，成败皆因它！你想了解详情吗？19世纪初，粮食供应已经无法满足人口增长的需求，要增世纪初，粮食供应已经无法满足人口增长的需求，要增加产量，需要含氮化合物的氮肥。当时含氮化合物矿产资源不加产量，需要含氮化合物的氮肥。当时含氮化合物矿产资源不能满足需要。一些有远见的化学家指出：为了使子孙后代免于能满足需要。一些有远见的化学家指出：为了使子孙后代免于饥饿，我
3、们必须寄希望于科学家能实现饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现“大气固氮大气固氮”。【资料一资料一】法国化学家法国化学家勒夏特列勒夏特列是合成氨的先驱。是合成氨的先驱。1901年，年，勒沙特列勒沙特列，通过理论计算，认为通过理论计算，认为N2和和H2在高压条件下可以直接化合生成氨。在高压条件下可以直接化合生成氨。他他在在用实验来验证用实验来验证的的过程中发生了爆炸过程中发生了爆炸，钢制釜体的碎片穿透，钢制釜体的碎片穿透了地板和天花板。了地板和天花板。他没有调查事故发生的原因，他没有调查事故发生的原因，就就放放弃弃了了该实该实验验。后来查明所用混合气体中含有。后来查明所用混合气体中含有O2，H2和
4、和O2发生了爆炸反应。发生了爆炸反应。德国化学家德国化学家能斯特能斯特通过理论计算，通过理论计算，竟然竟然认为合成氨是不能认为合成氨是不能进行的。后来才发现，他在计算时误用进行的。后来才发现，他在计算时误用了了一个热力学数据，以一个热力学数据，以致得到错误的结论。致得到错误的结论。由于能斯特在物理化学领域的权威性，人由于能斯特在物理化学领域的权威性，人工合成氨的研究陷入了低潮。工合成氨的研究陷入了低潮。问题问题1：两位科学家失败的原因是什么？对将来我们进行科学研：两位科学家失败的原因是什么？对将来我们进行科学研究有什么启示？究有什么启示？勒夏特列勒夏特列是一位很受尊敬的法国科学家和教是一位很受
5、尊敬的法国科学家和教育家。他在科学领域涉猎甚广，对社会科学也有育家。他在科学领域涉猎甚广，对社会科学也有兴趣，对工业的科学管理、科学和经济的关系等兴趣，对工业的科学管理、科学和经济的关系等问题也有研究。所涉及的每一个领域他都做出了问题也有研究。所涉及的每一个领域他都做出了开创性的贡献。勒夏特列的数学基础非常好，他开创性的贡献。勒夏特列的数学基础非常好，他之所以在各个领域均有建树，是基于他具备扎实之所以在各个领域均有建树，是基于他具备扎实的理论知识和对科学应用的关注。的理论知识和对科学应用的关注。哈伯没有盲从权威哈伯没有盲从权威，知难而进，依靠实验来检验，知难而进，依靠实验来检验，通过比较通过比
6、较，哈伯，哈伯发现他所取得的某些数据与能斯特发现他所取得的某些数据与能斯特有所不同有所不同，最，最终证实了能斯特的计算是错误的。终证实了能斯特的计算是错误的。问题问题2：根据你所学的知识，分析合成氨反应难以发生的原因：根据你所学的知识，分析合成氨反应难以发生的原因是什么？什么条件下反应可能发生？是什么？什么条件下反应可能发生？【资料二资料二】哈伯首先想到，也许高温会进行这个反应。结果却出乎意料，哈伯首先想到，也许高温会进行这个反应。结果却出乎意料，当温度升高到当温度升高到 1000时，氨的产量才不过是原料体积的时，氨的产量才不过是原料体积的0.012%，还不如低温度时的产量。但是，降低反应温度
7、时，反应却又变得还不如低温度时的产量。但是，降低反应温度时，反应却又变得十分缓慢。哈伯的实验陷入困境，哈伯对高温法产生了困惑。十分缓慢。哈伯的实验陷入困境，哈伯对高温法产生了困惑。1903年，伯克兰和艾德采取在空气中放电的方法固氮。哈伯年，伯克兰和艾德采取在空气中放电的方法固氮。哈伯赴美国考察，回国后也采用高压放电固氮，实验历时一年效果不赴美国考察，回国后也采用高压放电固氮，实验历时一年效果不尽人意。经过慎重考虑，哈伯觉得放电法需要大量的电力，不易尽人意。经过慎重考虑，哈伯觉得放电法需要大量的电力，不易形成流程化，没有前途，决定再回到高温法。形成流程化，没有前途，决定再回到高温法。1905年底
8、，哈伯确定了氮气和氢气的混和气体在高温高压及年底，哈伯确定了氮气和氢气的混和气体在高温高压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？什么样的催化剂为最好？问题问题3：请你分析高温法为何产量低？：请你分析高温法为何产量低？哈伯最终又选择了高温法的原因是什么？哈伯最终又选择了高温法的原因是什么？【资料三资料三】问题问题4：工业生产对于反应条件的选择需要考虑哪些因素？：工业生产对于反应条件的选择需要考虑哪些因素？问题问题5：根据：根据“又快又多又快又多”原则，你如何选择合成氨的反应条件？原则，你如何选择合成
9、氨的反应条件？合成氨合成氨反应特点反应特点分析角度分析角度反应条件反应条件 生成得快生成得快（速率问题）（速率问题）生成得多生成得多（平衡移动问题）（平衡移动问题）速率与平衡移速率与平衡移动条件是否一致动条件是否一致综合考虑综合考虑可逆反应可逆反应反应物尽可能多的转化为产物反应物尽可能多的转化为产物正反应放热正反应放热温度温度正反应气体正反应气体分子总数减小分子总数减小压强压强催化剂催化剂 经过四年几千次的实验和计算，哈伯经过四年几千次的实验和计算，哈伯在在1908年年7月在实验室月在实验室用用N2和和H2，在在600、200个大气压下合成出氨，产率仅有个大气压下合成出氨，产率仅有2，却是一项
10、重大突破。却是一项重大突破。在在1909年取得了鼓舞人心的成果：在年取得了鼓舞人心的成果：在550的高温、的高温、200个个大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为约为6的合成氨。的合成氨。由于温度高，压力大，哈伯的实验装置由于温度高，压力大，哈伯的实验装置在几天后的另一次试验中发生了爆炸，变成在几天后的另一次试验中发生了爆炸，变成一堆废铁。一堆废铁。装置失败，但原理可行。装置失败，但原理可行。问题问题6：6%的产率并不高，影响生产的经济效益。在温度和压的产率并不高，影响生产的经济效益。在温度和压强不变的情况下，哈伯找到了提高原料的转化率的方法。强不变的
11、情况下，哈伯找到了提高原料的转化率的方法。你认为哈伯是如何提高原料的转化率的？你认为哈伯是如何提高原料的转化率的？【资料四资料四】哈伯的氨合成试验装置1908工业合成氨的工业流程工业合成氨的工业流程:哈伯成功地设计了原料气的循环工艺：哈伯成功地设计了原料气的循环工艺：不断地把反应生成的氨液化分离出来，将未反应的不断地把反应生成的氨液化分离出来，将未反应的N N2 2、H H2 2压缩循环使用。压缩循环使用。1909年年，哈伯在德国最大的化工公司哈伯在德国最大的化工公司“BASF”的资助下研究得以继续的资助下研究得以继续。BASF公司总化学师公司总化学师米塔奇米塔奇承担了催化剂的探索工作，两年对
12、制出的承担了催化剂的探索工作，两年对制出的2500种催化剂进行了种催化剂进行了6500多次试验检测，结果发现在磁性氧化铁中加人铝、多次试验检测，结果发现在磁性氧化铁中加人铝、钾的复合催化剂特别有效，而且此后再没有找到更好的。钾的复合催化剂特别有效，而且此后再没有找到更好的。BASF公司工程师公司工程师博施博施承担了制造耐高温高压的装置，进行了多次试验：承担了制造耐高温高压的装置，进行了多次试验：19101910年制出两个较小的反应器作为生产装置，但在工作年制出两个较小的反应器作为生产装置，但在工作80h80h后爆裂了。后爆裂了。19111911年年3 3月又采用新装置生产，经过一个月无事故运转
13、后又进一步扩大月又采用新装置生产，经过一个月无事故运转后又进一步扩大装置。但随着规模增大，又出现许多高压附属设备如压缩机、管道等发生破装置。但随着规模增大，又出现许多高压附属设备如压缩机、管道等发生破损。最终博施采用双层结构的方式才解决了设备耐高温高压问题，把合成塔损。最终博施采用双层结构的方式才解决了设备耐高温高压问题，把合成塔设备改造成里外两圆筒具有双壁的装置，冷的高压原料气由两壁设备改造成里外两圆筒具有双壁的装置，冷的高压原料气由两壁间空隙导入，实现了输人气体和排出气体间的热交换。间空隙导入，实现了输人气体和排出气体间的热交换。问题问题7：哈伯：哈伯-博施法合成氨工艺中是如何体现节能的？
14、博施法合成氨工艺中是如何体现节能的？【资料五资料五】19131913年建成第一个工业合成氨装置，年产氨年建成第一个工业合成氨装置，年产氨8740t8740t，称之为哈，称之为哈伯伯-博施法。博施法。博施因在化工设备耐高温高压方面的贡献获得诺贝尔化学奖。博施因在化工设备耐高温高压方面的贡献获得诺贝尔化学奖。当哈伯的工艺流程展示之后，引起了当哈伯的工艺流程展示之后，引起了想想用战争吞并欧洲的德用战争吞并欧洲的德国军政要员的高度重视，恶魔的需要正好迎合了哈伯想成百万富国军政要员的高度重视，恶魔的需要正好迎合了哈伯想成百万富翁的贪婪心理翁的贪婪心理。到了第一次。到了第一次世界大战世界大战期间的期间的1
15、9151915年，年，“BASF”BASF”公公司的氨产量已达司的氨产量已达6 6万吨，万吨，为侵略者制造了数百万吨炸药为侵略者制造了数百万吨炸药。哈伯哈伯的最大可的最大可耻在于耻在于,第一次世界大战第一次世界大战为德国政府研制化学为德国政府研制化学武器武器“氯气毒气战氯气毒气战”。哈伯的妻子克拉克也是化学博士。哈伯的妻子克拉克也是化学博士,很很清楚毒气的危害清楚毒气的危害，她恳求丈夫放弃这种惨无人道的武器她恳求丈夫放弃这种惨无人道的武器，哈伯，哈伯不不听劝阻听劝阻，愤怒和无奈愤怒和无奈的的克拉克克拉克自杀身亡相劝，也自杀身亡相劝，也没没能能使狂热的使狂热的“爱国者爱国者”冷静下来。冷静下来。
16、19181918年，哈伯因研制合成氨作出重大贡献而获得诺贝尔化学年，哈伯因研制合成氨作出重大贡献而获得诺贝尔化学奖奖，但，但受到英、法等国科学家的指责受到英、法等国科学家的指责。一战后，一战后，哈伯哈伯对对自己进行了深刻自己进行了深刻的的反思反思，带着一种赎罪的心带着一种赎罪的心情认真工作，他领导的威廉研究情认真工作，他领导的威廉研究所所成为当时著名的科研中心。成为当时著名的科研中心。希希特勒特勒当政期间，哈伯已从第一次世界大战时期自己的行为中吸取当政期间，哈伯已从第一次世界大战时期自己的行为中吸取了教训，辞去了所长职务了教训，辞去了所长职务，成为了一位正直的科学家。成为了一位正直的科学家。问
17、题问题8：哈伯个人对金钱的追求，你是如何评价的？：哈伯个人对金钱的追求，你是如何评价的？【资料六资料六】他是天使，他是天使，为人类带来丰收和喜悦，是用空为人类带来丰收和喜悦，是用空气制造面包的圣人；气制造面包的圣人；他是魔鬼，他是魔鬼，给人类带来灾难、痛苦和死亡。给人类带来灾难、痛苦和死亡。人们是这样评价哈伯的：人们是这样评价哈伯的：哈伯的成功是因为对科学研究的严谨态度。哈伯的成功是因为对科学研究的严谨态度。合成氨合成氨反应特点反应特点分析角度分析角度反应条件反应条件 生成得快生成得快（速率问题）（速率问题）生成得多生成得多（平衡移动问题）（平衡移动问题）速率与平衡移速率与平衡移动条件是否一致
18、动条件是否一致综合考综合考虑虑可逆反应可逆反应反应物尽可能多的转化为产物反应物尽可能多的转化为产物正反应放热正反应放热温度温度高温高温低温低温不一致不一致正反应气体正反应气体分子总数减小分子总数减小压强压强高压高压高压高压一致一致催化剂催化剂使用使用无影响无影响考虑催化剂考虑催化剂的活性温度的活性温度浓度浓度增大反应物浓度增大反应物浓度 减小生成物浓度减小生成物浓度N2、H2循环使用循环使用合成氨反应条件选择的回顾合成氨反应条件选择的回顾合成氨工业发展前景合成氨工业发展前景:低温高效的催化剂低温高效的催化剂.根瘤菌可以使生物固氨在常温常压下进行，成本低、转化根瘤菌可以使生物固氨在常温常压下进行
19、，成本低、转化率高、效率高。模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化率高、效率高。模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产，可以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。学工业生产，可以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。问题问题9：目前，人们正在研究合成氨反应的更为高效的催化剂，：目前，人们正在研究合成氨反应的更为高效的催化剂，你认为这种催化剂的活性温度是你认为这种催化剂的活性温度是“高温高温or低温低温”的好？为什么？的好？为什么？如何理解化工生产的如何理解化工生产的“多多 快快 好好 省省”？反应快反应快选择较快的反应速率。选择较快的反应速率。产量多产量多尽量增大反应物转化率，提高单位时间产率。尽量增大反应物转化率，提高单位时间产率。效益高效益高充分利用原料、降低能耗，综合效益好。充分利用原料、降低能耗，综合效益好。合成氨的实地照片合成氨的实地照片附件：附件：
