1、合成氨條件的選擇嘉興三中 許建英1、合成氨的化學(xué)反應(yīng)方程式、特點(diǎn)2、分析合成氨的合適條件3、工業(yè)上合成氨的合適條件4、選擇適宜化工生產(chǎn)條件的原則7、練習(xí)目 錄 6、小結(jié)5、合成氨工業(yè)發(fā)展前景8、哈伯和哈伯法合成氨背景資料第四節(jié) 合成氨條件的選擇問(wèn)題1 請(qǐng)同學(xué)們寫(xiě)出合成氨的化學(xué)反應(yīng)方程式，并分析這個(gè)反應(yīng)有什么特點(diǎn)？特點(diǎn)：a、可逆反應(yīng)b、正反應(yīng)為放熱反應(yīng)c、正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)。N2+3H2 2NH3(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))問(wèn)題2 要提高合成氨的生產(chǎn)效益，具體應(yīng)從哪 些方面來(lái)考慮？要使氨生成得更快（即提高單位時(shí)間里氨的產(chǎn)量） 化學(xué)反應(yīng)速率問(wèn)題要使氨生成得更多（即提高平衡混合物里氨的含量） 化學(xué)平

2、衡問(wèn)題提高合成氨的生產(chǎn)效益討論 根據(jù)外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，說(shuō)明要使合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率增大，應(yīng)采取哪些措施？應(yīng)用化學(xué)平衡移動(dòng)原理，說(shuō)明要提高平衡混合物中氨氣的含量，應(yīng)采取哪些措施？合成氨反應(yīng)N2+3H2 2NH3（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）使NH3生成得快（從反應(yīng)速率分析）使NH3生成得多（從化學(xué)平衡分析）壓強(qiáng)溫度催化劑濃度目的選擇條件高壓高溫使用催化劑增大反應(yīng)物濃度高壓低溫?zé)o影響增大反應(yīng)物濃度 減小生成物濃度請(qǐng)同學(xué)們對(duì)比下表（課本表2-3）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢查自己的理論推斷是否正確。分別從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個(gè)角度分析合成氨的合適條件。 結(jié) 論從反應(yīng)速率的角度看：溫度越高、壓強(qiáng)越大，化學(xué)反應(yīng)

3、越快， 使用合適的催化劑，反應(yīng)加快，單位時(shí)間內(nèi)生成的NH3越多；從化學(xué)平衡的角度看：高壓、低溫，平衡時(shí)生成物NH3的含量（體積分?jǐn)?shù)）高。討論1、既然增大壓強(qiáng)可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的含量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好？2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么在合成氨工業(yè)中溫度是否越低越好？3、催化劑對(duì)化學(xué)平衡沒(méi)有影響，在合成氨工業(yè)中是否需要使用催化劑？一、合成氨的適宜條件提示 綜合考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)的原理，再根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)和實(shí)際需要，選擇合成氨的適宜條件。條件條件條件討論從表2-3數(shù)據(jù)表明，即使在500C和30MPa的條件下，平衡混和物中氨的含量?jī)H達(dá)26.4%，

4、即轉(zhuǎn)化率仍不夠大，為了使平衡向生成氨的方向移動(dòng)，提高N2、H2的轉(zhuǎn)化率,還可以采取哪些措施？條件使用催化劑：可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益；合成氨的適宜條件選擇合適的溫度：500左右，提高反應(yīng)速率，又是合成氨催化劑的活性溫度；選擇合適的壓強(qiáng)：20MPa50MPa，有利于氨的合成，該壓強(qiáng)下進(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)動(dòng)力、材料、設(shè)備等來(lái)說(shuō)正合適。濃度：將氨氣液化后及時(shí)分離出來(lái)，所得原料氣（過(guò)量N2、H2）循環(huán)使用，并及時(shí)補(bǔ)充N2、H2返回討論9返回討論10合成氨的化學(xué)反應(yīng)原理 N2+3H2 2NH3鐵觸媒 500C20MPa-50MPa合成氨工業(yè)的主要流程：合成氨生產(chǎn)示意圖討論 工業(yè)上

5、選擇適宜化工生產(chǎn)條件要堅(jiān)持 什么原則？選擇適宜生產(chǎn)條件原則1、注意外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響的一致性，還要注意對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響的矛盾性；2、既要注意溫度、催化劑對(duì)速率影響的一致性，又要注意催化劑的活性對(duì)溫度的限制；3、既要注意理論上的需要，又要注意實(shí)踐中的可能性參考題目：生物中植物對(duì)氮的需求生物固氮的原理和條件理想的人工固氮條件二、合成氨工業(yè)的發(fā)展前景討論設(shè)想合成氨的發(fā)展前景哈伯化學(xué)模擬生物固氮人工固氮：（化學(xué)固氮）條件高、成本高、轉(zhuǎn)化率低、效率低根瘤菌：（生物固氮）常溫常壓、成本低、轉(zhuǎn)化率高、效率高氮的固定：把游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)氮的過(guò)程小結(jié)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)：20

6、MPa-50MPa溫度：500C左右催化劑：鐵觸媒濃度：將氨氣液化后及時(shí)分離出來(lái)，所得原料氣（過(guò)量N2、H2）循環(huán)使用，并及時(shí)補(bǔ)充N2、H2N2+3H2 2NH3鐵觸媒 500C 20MPa-50MPa合成氨的反應(yīng)原理：思考題練習(xí)題背景資料背景資料哈伯和哈伯法合成氨 19世紀(jì)以前，一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的化學(xué)家指出：考慮到將來(lái)的糧食問(wèn)題，為了使子孫后代免于饑餓，我們必須寄希望于科學(xué)家能實(shí)現(xiàn)大氣固氮。因此將空氣中豐富的氮固定下來(lái)并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式，在20世紀(jì)初成為一項(xiàng)受到眾多科學(xué)家注目和關(guān)切的重大課題。哈伯就是從事合成氨的工藝條件試驗(yàn)和理論研究的化學(xué)家之一。返回前景利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是

7、一個(gè)較難的課題，從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了150年的時(shí)間。1795年有人試圖在常壓下進(jìn)行氨合成，后來(lái)又有人在50個(gè)大氣壓下試驗(yàn)，結(jié)果都失敗了。19世紀(jì)下半葉，物理化學(xué)的巨大進(jìn)展，使人們認(rèn)識(shí)到由氮、氫合成氨的反應(yīng)是可逆的，增加壓力將使反應(yīng)推向生成氨的方向：提高溫度會(huì)將反應(yīng)移向相反的方向，然而溫度過(guò)低又使反應(yīng)速度過(guò)??；催化劑對(duì)反應(yīng)將產(chǎn)生重要影響。這實(shí)際上就為合成氨的試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。當(dāng)時(shí)物理化學(xué)的權(quán)威、德國(guó)的能斯特就明確指出：氮和氫在高壓條件下是能夠合成氨的，并提供了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。法國(guó)化學(xué)家勒夏特里第一個(gè)試圖進(jìn)行高壓合成氨的實(shí)驗(yàn)，但是由于氮?dú)浠旌蜌庵谢爝M(jìn)了氧氣，引起了爆炸，使他放棄

8、了這一危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)。在物理化學(xué)研究領(lǐng)域有很好基礎(chǔ)的哈伯決心攻克這一令人生畏的難題。返回前景哈伯首先進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，探索合成氨的最佳物理化學(xué)條件。在實(shí)驗(yàn)中他所取得的某些數(shù)據(jù)與能斯特的有所不同，他并不盲從權(quán)威，而是依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，終于證實(shí)了能斯特的計(jì)算是錯(cuò)誤的。在一位來(lái)自英國(guó)的學(xué)生洛森諾的協(xié)助下，哈伯成功地設(shè)計(jì)出一套適合于高壓實(shí)驗(yàn)的裝置和合成氨的工藝流程，這流程是：在熾熱的焦炭上方吹入水蒸汽，可以獲得幾乎等體積的一氧化碳和氫氣的混和氣體。其中的一氧化碳在催化劑的作用下，進(jìn)一步與水蒸汽反應(yīng)，得到二氧化碳和氫氣。然后將混和氣體在一定壓力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了較純凈的氫氣。同樣將水蒸汽與適量的

9、空氣混和通過(guò)紅熱的炭，空氣中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉，從而得到了所需要的氮?dú)?。返回前景氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蜌怏w在高溫高壓的條件下及催化劑的作用下合成氨。但什么樣的高溫和高壓條件為最佳？以什么樣的催化劑為最好？這還必須花大力氣進(jìn)行探索。以楔而不舍的精神，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，哈伯終于在1909年取得了鼓舞人心的成果。這就是在600的高溫、200個(gè)大氣壓和鋨為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為8的合成氨。8的轉(zhuǎn)化率不算高，當(dāng)然會(huì)影響生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。哈怕知道合成氨反應(yīng)不可能達(dá)到象硫酸生產(chǎn)那么高的轉(zhuǎn)化率，在硫酸生產(chǎn)中二氧化硫氧化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率幾乎接近于100。怎么辦？哈伯認(rèn)為若能使反應(yīng)氣體在

10、高壓下循環(huán)加工，并從這個(gè)循環(huán)中不斷地把反應(yīng)生成的氨分離出來(lái)，則這個(gè)工藝過(guò)程是可行的。于是他成功地設(shè)計(jì)了原料氣的循環(huán)工藝。這就是合成氨的哈伯法。返回小結(jié)返回前景思考返回小結(jié) 在硫酸的工業(yè)生產(chǎn)中，有以下反應(yīng)：2SO2(g)+2O2 (g) 2SO3 (g)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），反應(yīng)溫度為450C，使用V2O5為催化劑。在此條件下，如果壓強(qiáng)為0.1MPa,SO2的轉(zhuǎn)化率為97.5%;壓強(qiáng)為10MPa,SO2轉(zhuǎn)化率為99.3%,回答:工業(yè)生產(chǎn)中選擇450C左右的溫度,原因是什么?增大壓強(qiáng)時(shí)合成SO3是否有利?在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)如何選擇壓強(qiáng)?為什么?生產(chǎn)中要用過(guò)量的空氣,為什么?鞏固練習(xí)1.對(duì)于合成氨的反應(yīng)

11、來(lái)說(shuō),使用催化劑和施加高壓,下列敘述中正確的是( )A.都能提高反應(yīng)速率,都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)無(wú)影響B(tài).都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響,都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間C.都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間,只有壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響D催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間,而壓強(qiáng)無(wú)此作用C返回小結(jié)2、在一密閉容器中，N2、H2合成氨的反應(yīng)已達(dá)到平衡。此時(shí)再往容器中通入一定量N2,保持溫度和容器體積不變，當(dāng)反應(yīng)再次達(dá)到平衡時(shí)，與第一次平衡狀態(tài)相比（）（）的百分含量增大（）的濃度增大（）的轉(zhuǎn)化率提高（）的轉(zhuǎn)化率提高3、在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列變化過(guò)程不能使平衡向右移動(dòng)的是：（ ）(A)不斷將NH3

12、分離出來(lái) (B)使用催化劑(C)采用500 左右的高溫(D)采用20 MPa- 50MPa的壓強(qiáng)B C4、在合成氨時(shí)，可以提高H2轉(zhuǎn)化率的措施是（ ）(A)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間 (B)充入過(guò)量H2(C)充入過(guò)量N2 (D)升高溫度C5、關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說(shuō)法正確的是 （ ）(A)從合成塔出來(lái)的氣體，其中氨一般占15%，所以生產(chǎn)氨的工業(yè)的效率都很低(B)由于NH3易液化，N2、H2可循環(huán)使用，則總的說(shuō)來(lái)氨的產(chǎn)率很高(C)合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500 左右，目的是使平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行(D)合成氨工業(yè)采用20 MPa - 50MPa ，是因該條件下催化劑的活性最好B6、在一定條件下，將N2和H2的混和氣體通入固定容積的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)：N2+3H2 2NH3 (正反應(yīng)為放熱反應(yīng))下列圖像表示正確的是： （ ）A C (A) (B) (C) (D)7.下列反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，哪種條件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2 (g) X2Y4 (g) （正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）( )A.高溫 高壓 B.低溫 低壓 C.高溫 低壓 D.高壓 低溫D8.對(duì)于反應(yīng): 2SO2(g)+O2 (g) 2SO3 (g