2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨 课件（共21张PPT）2025-2026学年鲁科版2019 高中化学选择性必修1

(课件网) 化学反应条件的优化 ———工业合成氨 第2章 化学反应的方向、限度与速率 学习目标 01 从宏观视角分析工业合成氨的工艺流程，理解反应条件对产量和能耗的影响；从微观层面结合化学反应速率与平衡原理，阐释温度、压强、催化剂等条件对分子碰撞、活化能及平衡移动的作用机制，建立认知关联。（宏观辨识与微观探析） 02 通过分析合成氨反应的焓变、熵变及实验数据，推理最佳反应条件的选择依据；构建 综合决策模型，能运用该模型解释工业生产中压强、温度、催化剂的参数设定，评估不同工艺方案的可行性。（证据推理与模型认知） 03 针对合成氨工业中的实际问题，设计优化实验；结合绿色化学理念，提出提高原料利用率、降低碳排放的创新策略，培养工程实践与创新思维。（科学探究与创新意识） 合成氨的重要性是划时代的： 合成氨技术使人类能够大规模、廉价地生产氮肥，从而使得全球农作物产量实现了爆炸性增长。据估计，目前全球粮食产量中有近一半的氮元素来自合成氨工厂。 自 1784 年氨被发现以来，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 1913 年才实现了合成氨的工业化生产。经过研究人员的不断努力，几十年后终于建造了日产氨 1 000 吨的大型装置。 化学反应 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 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长的发展过程？合成氨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呢？ 工业合成氨的反应为：N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)。 1. 已知在 298 K 时： ΔH = -92.2 kJ·mol-1，ΔS = -198.2 J·K-1·mol-1。根据反应的焓变和熵变分析在 298 K 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。 从化学反应限度角度分析： 综上所述，降低温度、增大压强、及时分离NH3，V(N2)：V(H2) = 1:3时的条件下，将有利于化学平衡向生成氨的方向移动，增加反应物的转化率。 缺点：但高压条件对设备提出了苛刻的要求，而反应温度的下降势必延长反应的时间，致使生产效率降低，失去工业意义。 平衡混合物中氨的含量与温度、压强的关系 影响限度的因素 (1) 温度：温度升高，反应向吸热方向移动；温度下降，反应向放热方向移动。 (2) 压强：增大压强，反应向气体物质的量减小的方向移动；减小压强，反应向气体物质的量增大的方向移动。 (3) 浓度：增大反应物浓度或减小生成物浓度，反应正向进行；减小反应物浓度或增大生成物浓度，反应逆向进行。 (4) 研究发现：温度、压强一定时，反应物V(N2)：V(H2) = 1:3时，平衡混合物中NH3 的含量最高。 一、合成氨反应的限度 合成氨反应 可逆性 体积变化 焓变 自发性 反应为可逆反应 正反应是气体体积减小的反应 焓变： H<0，熵变： S<0 常温（298K）下， H-T S<0，能自发进行 二、合成氨反应的速率 在其他条件相同的情况下，有催化剂存在和无催化剂存在时的反应速率常数之比表明，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。 影响反应速率的因素 (1)温度：升高温度，反应速率加快；降低温度，反应速率减小。 (2)压强：增大压强，气体浓度增加，反应速率加快；减小压强，气体浓度降低，反应速率减小。 (3)浓度：研究表明，特定条件下，合成氨反应速率方程为 v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)（公式中的反应速率是正、逆反应速率的总结果） N2、H2浓度越大，合成氨反应速率越快；NH3浓度越大，合成氨反应速率越小。 (4)催化剂：使用催化剂可以使合成氨反应速率提高上万亿倍。 二、合成氨反应的速率 v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3) 根据该关系式分析：式中各 ... ...