高中化學(xué)

第二章化學(xué)平衡

第四節(jié)合成氨條件的選擇

----楊文槐

氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的氨的價(jià)值N2NH3醫(yī)藥炸藥染料化肥哈伯（F.Haber）（1868-1934）1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)哈伯于1908年7月在實(shí)驗(yàn)室用N2

、H2在600℃、200個(gè)大氣壓，合成出氨,產(chǎn)率為2％。1911—1913年短短兩年合成出了1000噸液氨。并用它制造3500噸TNT.

合成氨工業(yè)的發(fā)展

用N2、H2為原料合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，曾是一個(gè)很艱巨的課題。1900年，法國(guó)化學(xué)家勒夏特列認(rèn)為，N2、H2可以在高壓下直接化合成氨。但實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)發(fā)生了爆炸，于是他覺得有危險(xiǎn)，放棄了研究。稍后，德國(guó)化學(xué)家能斯特，通過計(jì)算認(rèn)為合成氨不能實(shí)現(xiàn)。使合成氨又慘遭厄運(yùn)。1931年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了德國(guó)化學(xué)家波施（C.Bosch）。

他發(fā)現(xiàn)了合成氨廉價(jià)的催化劑，使生產(chǎn)效率顯著提高，生產(chǎn)成本明顯降低。

氮的固定

氮的固定：將游離態(tài)氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)氮的過程。固氮人工固氮自然固氮生物固氮：根瘤菌雷雨、莊稼等化學(xué)模擬生物固氮合成氨等1.人工合成氨：化學(xué)固氨法。其條件要求高、成本高、轉(zhuǎn)化率低、效率低。2.根瘤菌，生物固氨。常溫常壓下進(jìn)行。成本低、轉(zhuǎn)化率高、效率高。

化學(xué)平衡1.影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有些？2.影響化學(xué)平衡的條件有哪些？根據(jù)關(guān)系式了解：應(yīng)用化學(xué)平衡原理，分析反應(yīng)：

aA（g）

+bB(g)cC(g)+dD(g)濃度,溫度,壓強(qiáng)內(nèi)因外因反應(yīng)物本身性質(zhì)反應(yīng)歷程其他：溶劑、表面積、外界條件溫度,濃度,壓強(qiáng),催化劑[問題]據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式分析這個(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+3H22NH3(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))1體積

3體積

2體積1、增大壓強(qiáng)可提高反應(yīng)速率.2、降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng).3、催化劑對(duì)化學(xué)平衡沒有影響，在合成氨工業(yè)中是否需要使用催化劑？合成氨條件的選擇（正反應(yīng)放熱）要制得更多的氨，可以采用哪些措施？

催化劑降低反應(yīng)分子活化能，由于氮分子非常穩(wěn)定，與氫的化合十分困難，即使采用了加熱與高壓的條件，合成氨的反應(yīng)還是十分緩慢.為了加快化合反應(yīng)速率，降低反應(yīng)所需要的能量，合成氨工業(yè)普遍使用催化劑。

[討論]根據(jù)外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，說明要使合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率增大，應(yīng)采取的措施。應(yīng)用化學(xué)平衡移動(dòng)原理，說明要提高平衡混合物中氨氣的含量，應(yīng)采取的措施。合成氨反應(yīng)N2+3H22NH3（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對(duì)比下表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢查自己的理論推斷是否正確。N2+3H22NH3(放熱反應(yīng))

壓強(qiáng)怎么選擇？

分析：合成氨反應(yīng)是體積縮小的氣體反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既可以增大反應(yīng)速率，又能提高平衡混合物中氨的含量，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。

綜合以上兩點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中壓強(qiáng)一般選擇在20MPa---50MPa之間。

在實(shí)際生產(chǎn)中，壓強(qiáng)越大，對(duì)壓縮氫和氮需要的動(dòng)力越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求也越高。故壓強(qiáng)的選擇受動(dòng)力、材料、設(shè)備等條件的限制。

溫度怎么選擇？①因?yàn)檎磻?yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫度有利于提高平衡混合物中氨的含量。

②可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)到平衡所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，因此溫度也不宜太低。

溫度對(duì)催化劑的影響

溫度高，反應(yīng)快，但氨的產(chǎn)率低。且溫度越高，需要消耗的燃料越多，對(duì)設(shè)備的保溫和耐溫能力要求越高。催化劑在溫度高時(shí)可能會(huì)被破壞而失去活性；在溫度低時(shí)，催化劑可能又起不了催化作用，反應(yīng)速率慢。鐵觸媒催化能力溫度/（℃）鐵觸媒在500℃左右時(shí)的活性最大

濃度怎么定？

增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動(dòng)。因此可以用保持一定的氮、氫濃度，減少氨氣的濃度的方法，提高合成氨的效率和產(chǎn)量。

實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化而分離出去；及時(shí)補(bǔ)充氮?dú)夂蜌錃猓蛊浔３忠欢ǖ臐舛?。有利化學(xué)反應(yīng)速率角度：有利化學(xué)反應(yīng)平衡角度：

增大反應(yīng)物濃度，高壓、低溫，平衡時(shí)生成物NH3的含量(體積分?jǐn)?shù))高。

可見，增大反應(yīng)物濃度，增大壓強(qiáng)，使用適宜的催化劑對(duì)反應(yīng)有利。（正反應(yīng)放熱）高溫高壓催化劑

溫度越高、壓強(qiáng)越大，化學(xué)反應(yīng)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；

工業(yè)上合成氨，主要要考慮哪些因素？

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率的有關(guān)知識(shí)，思考:———————，——————，——————

，都可以使合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率增大。

增大壓強(qiáng)

經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益：

速度要快，原料的利用率要高，單位時(shí)間的產(chǎn)量要高。另外還要考慮生產(chǎn)中的消耗能源，原料,設(shè)備條件等因素。升高溫度使用催化劑合成氨實(shí)驗(yàn)裝置

與

快速推進(jìn)工業(yè)上合成氨的適宜條件

（實(shí)際應(yīng)用）壓強(qiáng)：2×107~5×107Pa溫度：500℃左右催化劑：鐵觸媒做催化劑(二)、生產(chǎn)過程原料氣制取、凈化、壓縮合成分離三階段1、主要流程：原料氣的制取凈化壓縮合成分離液氨

除去雜質(zhì)氣體、粉塵等，防止催化劑“中毒”

實(shí)際生產(chǎn)中，盡量提高反應(yīng)物濃度和想盡辦法移去生成物以減小生成物濃度，促使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)2、原料氣制?。赫舭l(fā)壓縮液態(tài)空氣N2(先逸出)碳CO2(+N2)N2分離出CO2制N2:制H2:水蒸氣CO+H2CO2+H2H2

熾熱炭H2O(氣)分離出CO2

C(S)+H2O(g)CO(g)+H2

(g)CO(g)+H2O(g)CO2

(g)+H2

(g)物理方法化學(xué)方法空氣

那么，從平衡混合氣中分離出NH3，利用了氨氣的什么性質(zhì)呢?

易液化合成氨是在什么設(shè)備中進(jìn)行的?

合成塔。①有耐高壓的厚壁；②安放有厚