鲁科版 工业合成氨

第2章第四节化学反应条件的优化—工业合成氨学习目标1、能够运用化学反应速率影响因素和化学平衡移动规律分析合成氨等反应的工业生产的最佳条件2、认识对化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中具有重要作用3、体会选择化工生产适宜条件时需要综合考虑多种因素穿越历史背景资料：19世纪初，人们就认识到氮肥在农业中的巨大作用。当时含氮化合物主要来自智利的硝酸钠矿，有限的矿产资源使得含氮化合物的价格十分高，不能满足工农业的需要。大气的五分之四都是氮，固氮，成为一项受到众多科学家关注重大课题。资料一1900年，法国化学家勒夏特列通过理论计算，认为氮气和氢气可以直接化合生成氨。在实验验证过程中发生了爆炸,他并没有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险就放弃了。后来查明实验失败的原因是他所用的混合气体中含有氧气。稍后，德国物理化学家能斯特通过理论计算，竟然认为合成氨是不能进行的。后来才发现，他在计算时误用一个热力学数据，以致得到错误的结论。由于能斯特在物理化学领域的权威性，人工合成氨的研究陷入低潮。能斯特结论的公布给同时也在研究合成氨的哈伯很大的打击。但是通过比较发现，他所取得的某些数据与能斯特有所不同。哈伯没有盲从权威，而是依靠实验来检验，终于证实了能斯特的计算错误，合成氨反应是能发生的。哈伯勒夏特列能斯特请你算一算反应的自发性N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析:298K下合成氨反应能否自发进行？资料二哈伯经过多次实验，发现：在高温条件下这个反应会进行。但是，他还发现：当温度升高到1000℃时，氨的产率仅为0.012%，还不如低温时的产率；降低反应温度时，反应却又变得十分缓慢。哈伯的研究陷入困境。N2(g)+3H2(g)2NH3(g)反应特点:可逆反应合成氨反应是放热反应正反应是气体体积减小的反应ABC帮助哈伯走出困境一、合成氨反应的限度请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成帮助哈伯走出困境二、合成氨反应的速率1、你认为可以通过哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为ν=kc（N2）c1.5（H2）c-1（NH3）请根据该关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？3、根据课本67页表2-4-1分析催化剂对合成氨反应速率的影响。资料三1905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最佳？以什么样的催化剂最好？经过四年几千次的实验和计算，哈伯终于在1909年取得了鼓舞人心的成果，这就是在550℃的高温、20MPa和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为6.25％的合成氨。质疑哈伯：1、增大压强既能增加反应速率又能提高氨的产量，为什么不采用更高的压强？2、哈伯选择的温度为什么是550℃左右，而不是更高或者更低的温度呢？回到现实工业上选择适宜化工生产条件要坚持的原则1、既要注意外界条件对化学反应速率和化学反应的限度影响的一致性,又要注意对化学反应速率和化学平衡影响的矛盾性；2、既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制；3、既要注意理论上的需要，又要注意实践中的可能性。化学中的辩证思想压强怎么选？回到现实①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。温度怎么定？回到现实①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。③催化剂要在一定温度下催化活性最大。综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。使用什么催化剂？回到现实实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。回到现实浓度怎么定？N2和H2的比例怎么定？增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。向哈伯汇报外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强适宜温度700K左右使用铁触媒作催化剂N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去工业上利用某可逆反应生产产品：一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。化工厂办厂指南先判断反应的方向→结合反应的限度、反应的速率和动力、设备等选择适宜的条件已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H＜0(1)应选用的温度是______。450℃因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。(2)应采用的压强是______，理由是____________________________________________________________________________________________请你来当硫酸厂厂长常压忐忑的哈伯他是天使，为人类带来丰收和喜悦，是用空气制造面包的人！他是魔鬼，给人类带来灾难、痛苦和死亡！课外阅读第一次世界大战爆发时，军事专家曾预测：由于含氨化合物的短缺，大战将在一年之内结束。到了1913年的第一次世界大战时,哈伯已为德国建成了无数个大大小小的合成氨工厂,为侵略者制造了数百万吨炸药因而延长了这场殃祸全球的世界大战.这就是第一次世界大战德国为什么能坚持这么久的谜底.一次大战爆发后，哈伯首先研制出军用毒气氯气罐。德军统帅在哈伯的建议下，在伊普雷地区揭开了世界第一次化学战的帷幕。致使５千多人死亡，一万五千多人中毒致伤.化学武器在一次大战中造成近130万人的伤亡，占大战伤亡总人数的4.6％，哈伯则成了制造化学武器的鼻祖，人类的罪人。1918年瑞典皇家科学院因哈伯在合成氨发明上的杰出贡献，决定授于他诺贝尔化学奖，因哈伯在一战中的表现，使世界许多科学家提出异议.