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课件网) 第2章 第4节 化学反应条件的优化———工业合成氨 导 粮食作物的生长需要氮元素。在大气中氮气含量接近80%，但氮气并不能直接被植物吸收。 在19世纪，有化学家指出通过大气固氮使子孙后代免于饥饿大气固氮就是将空气中丰富的氮由游离态转化为可被植物吸收的化合态，工业合成氮就是固氮的途径之一。 1913年，德国化学家哈伯以氮气和氢气为原料，实现了合成氨的工业化生产。那么在实际生产中如何使原料较大程度地转化为氨气并加快反应速率呢？ 1.能从反应限度和反应速率角度讨论化学反应和化工生产条件的选择和优化； 2.运用温度、浓度、压强、催化剂对化学反应速率和平衡的影响规律解释实际问题； 3.从多角度综合调控化学反应。 学习目标 学 一、合成氨反应的限度 合成氨的自发性： 合成氨反应是一个可逆反应,化学方程式为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。 在298 K时ΔH=-92.2 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1,该反应是一个放热反应,同时又是一个熵减小的反应。 问：在298 K时,合成氨能否自发进行？ 提示ΔH-TΔS=-92.2×103 J·mol-1-298 K×(-198.2 J·K-1·mol-1) =-92.2×103 J·mol-1+59 063.6 J·mol-1=-33 136.4 J·mol-1<0, 即298 K时合成氨反应能自发进行。 学 反应是一个放热反应,同时又是一个熵减小的反应。因此，降低温度、增大压强将有利于合成氨反应的化学平衡向生成氨气的方向移动,在一定温度和压强下,从化学平衡的角度分析,反应物氮气与氢气的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 二、合成氨反应的速率 1.浓度对合成氨反应速率的影响 由v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)知,合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比,与氢气浓度的1.5次方成正比,与氨气浓度的1次方成反比。 在反应过程中,随着氨气浓度的增加反应速率会逐渐降低,因此为了保证足够高的反应速率,应该适时将氨从混合物中分离出来。 2.催化剂对反应速率的影响 加入适宜的催化剂可以改变反应的历程,降低反应的活化能,从而增大反应速率。在其他条件相同的情况下,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。 3.温度 温度越高,合成氨反应进行得越快。 三、合成氨生产的适宜条件 1.合成氨反应条件的选择 工业生产中,必须从反应速率和反应限度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转化率,充分利用原料,又要选择较快的反应速率,提高单位时间内的产量,同时还要考虑设备的要求和技术条件。 反应 条件 压强 温度 催化剂 浓度 根据反应设备选择压强,大致为低压(1×107 Pa)、中压(2×107~3×107 Pa) 和高压(8.5×107~1×108 Pa) 700 K 左右 铁 使气态NH3变成液态NH3并及时从平衡混合物中分离出去,及时补充N2和H2 2.合成氨的适宜条件 工业生产中选择适宜生产条件的思路 【探究】 利用氮气与氢气直接合成氨的工业生产曾是一个较难的课题。1909年,德国物理化学家哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5~20 MPa和500~600 ℃下直接合成,反应器出口仅仅得到6%的氨。假如你是合成氨工厂的厂长,你最关心什么呢 提示最关心的问题应是如何提高单位时间内的产量以及原料的利用率。 提高反应的平衡转化率 提高反应的速率 反应特点 措施 反应特点 措施 放热 活化能高 正向反应分子数减小 低温时反应速率低 可逆反应 （平衡常数不大） 原料气浓度增大能提高反应速率 c(NH3)↓，平衡右移 氨气浓度增大能降低反应速率 降温 循环操作 加压 分离出氨 升温 使用催化剂 催化剂 增加氮气和氢气浓度 及时分理处氨气 1.合成氨最佳条件的分析与选择 (1)温度: 升高温度有利于提高反应速率,但不利于提高平衡混合物中氨的含量。且催化剂都有一个适宜的使用温度。合成氨工业上一般采用700 K左右的温度。此温度催化 ... ...
