高中化學(xué)第2章化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率2.4化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨省公開課一等獎新名師優(yōu)質(zhì)課

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗教科書化學(xué)反應(yīng)原理（選修四）第二章化學(xué)反應(yīng)方向、程度與速率第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件優(yōu)化--工業(yè)合成氨第1頁第2頁自從1809年在南美州智利發(fā)覺了硝酸鈉礦床之后，智利硝石很快就成為當(dāng)初世界上無機(jī)礦物含氮肥料主要起源，據(jù)預(yù)計，在1850-1900年間，全世界無機(jī)氮肥有70%來自智利硝石，但礦產(chǎn)資源是有限，這就迫使人們?nèi)ニ妓鳎涸鯓邮勾髿庵杏坞x態(tài)氮，用人工方法轉(zhuǎn)變成可為植物吸收化合態(tài)氮，即人工固氮，一直是化學(xué)家探索相關(guān)國計民生重大課題，尤其是怎樣利用空氣中氮和水中氫直接合成氨一直十九世紀(jì)化學(xué)家研究焦點之一。但因為長久未獲成功，以至有些人得出“由氮和氫直接合成氨是不可能”錯誤結(jié)論。直到1909年，德國化學(xué)哈伯取得了突破性進(jìn)展，成功地建立了每小時能產(chǎn)生80克氨裝置，從而使人們看到了處理這一問題曙光，開創(chuàng)了合成氨歷史，哈伯也所以取得了1918年諾貝爾化學(xué)獎。

工業(yè)合成氨巨大成功，改變了世界糧食生產(chǎn)歷史，處理了世界因人口增加而需要糧食，以合成氨為基礎(chǔ)原料化肥工業(yè)，對糧食增產(chǎn)貢獻(xiàn)率占50%左右。第3頁【交流·研討1】合成氨反應(yīng)是一個可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1

△S=-198.2J·mol-1.K-1請依據(jù)正反應(yīng)焓變和熵變分析298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？298K下合成氨反應(yīng)平衡常數(shù)K為４.１×１０６（mol·L-1)-2書P65第4頁合成氨反應(yīng)特點：①可逆反應(yīng)③正反應(yīng)氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小④正反應(yīng)是放熱反應(yīng)②熵減小反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H＝-92.2kJ/mol(1體積)(3體積)(2體積)

△S=-198.2J·K-1·mol-1第5頁合成氨工業(yè)生產(chǎn)時主要考慮生產(chǎn)條件？（1）要使氨生成得更多（即提升平衡混合物里氨含量）

——化學(xué)平衡問題（2）要使氨生成得更加快（即提升單位時間里氨產(chǎn)量）

——化學(xué)反應(yīng)速率問題第6頁【交流·研討2】

請利用化學(xué)平衡移動知識分析什么條件有利于氨合成．書P65一、合成氨反應(yīng)程度第7頁第8頁1:1

1:21:31:41:51:6

0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2第9頁___溫度、___壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡向生成氨方向移動，N2、H2體積比為_____時平衡混合物中氨含量最高。增大降低1：3研討結(jié)果第10頁【交流·研討3】1、你認(rèn)為能夠經(jīng)過控制那些反應(yīng)條件來提升合成氨反應(yīng)速率？2、試驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)速率與反應(yīng)物質(zhì)濃度關(guān)系為:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)請你依據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)濃度對反應(yīng)速率有哪些影響？能夠采取哪些辦法來提升反應(yīng)速率？二、合成氨反應(yīng)速率第11頁3、請你依據(jù)下表所給數(shù)據(jù)分析催化劑對合成氨反應(yīng)速率影響：催化劑對合成氨反應(yīng)速率影響條件△E/KJ/molk(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167第12頁1.升高溫度2.增大壓強(qiáng)3.使用催化劑使用催化劑可使合成氨反應(yīng)速率提升上萬億倍。4.增大N2和H2濃度,將氨及時從混合氣中分離出去研討結(jié)果第13頁研討內(nèi)容研討問題

1、既然增大壓強(qiáng)既可提升反應(yīng)速率，又可提升氨產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好？壓強(qiáng)怎么定？2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨方向移動，那么生產(chǎn)中溫度是否越低越好？3、催化劑對化學(xué)平衡移動沒有影響，

在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑，為何？溫度怎么選擇？要不要用催化劑？【交流·研討4】第14頁1、壓強(qiáng)怎么選？

分析：

①合成氨反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小氣體反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既能夠增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。

②不過壓強(qiáng)越大，對設(shè)備要求高、壓縮H2和N2所需要動力大，所以選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實際科學(xué)技術(shù)。

綜合以上兩點:依據(jù)反應(yīng)器可使用鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)。實際生產(chǎn)中壓強(qiáng)普通選擇在200～500大氣壓之間。第15頁

2、溫度怎么選擇？分析：

①因為正反應(yīng)方向是放熱反應(yīng)，所以降低溫度有利于平衡正向移動。

②可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，到達(dá)平衡所需要時間越長，所以溫度也不宜太低。

③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。

綜合以上原因:實際生產(chǎn)中溫度普通選擇在700K左右（主要考慮催化劑活性）。第16頁

3、用不用催化劑？

實際生產(chǎn)中選取鐵為主體多成份催化劑（鐵觸媒），它在700K時活性最高。

分析:

經(jīng)濟(jì)效益和社會效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快，

原料利用率要高，單位時間產(chǎn)量要高。第17頁

4、濃度怎么定？N2

和H2百分比怎么定？

增大反應(yīng)物濃度能夠增大反應(yīng)速率，減小生成物濃度能夠使平衡正向移動。從化學(xué)平衡角度分析，在氮氣和氫氣物質(zhì)量比為1：3時，平衡轉(zhuǎn)化率最大，不過試驗測得適當(dāng)提升N2濃度，即N2和H2物質(zhì)量比為1：2.8時，更能促進(jìn)氨合成。

實際生產(chǎn)中處理方法：及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；及時將氮氣和氫氣循環(huán)利用，使其保持一定濃度。即N2和H2物質(zhì)量比為1：2.8（閱讀書本67頁）第18頁研討內(nèi)容研討問題研討結(jié)果1、既然增大壓強(qiáng)既可提升反應(yīng)速率，又可提升氨產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好壓強(qiáng)怎么定？2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨方向移動，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好溫度怎么選擇？3、催化劑對化學(xué)平衡移動沒有影響，在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑，為何？要不要用催化劑？依據(jù)反應(yīng)器可使用鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)。實際生產(chǎn)中壓強(qiáng)普通選擇在200～500大氣壓之間

綜合原因:實際生產(chǎn)中溫度普通選擇在700K左右（主要考慮催化劑活性）。

實際生產(chǎn)中選取鐵為主體多成份催化劑（鐵觸媒），它在700K時活性最高。第19頁外部條件工業(yè)合成氨適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑濃度依據(jù)反應(yīng)器可使用鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)200~500個大氣壓

適宜溫度700K右左使用鐵觸媒作催化劑N2和H2物質(zhì)量比為1：2.8投料比,氨及時從混合氣中分離出去研討總結(jié)第20頁合成氨流程簡圖合成塔氨分離器液氨水冷器循環(huán)氣體壓縮機(jī)循環(huán)壓縮機(jī)氫氮混合氣第21頁第22頁第23頁第24頁第25頁第26頁第27頁