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化学反应条件的优化——工业合成氨弗里茨·哈伯：用空气制造面包的天使自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年哈伯领导的科研团队实现了合成氨的工业生产，大大提高了粮食的产量。假如你是一个工厂的厂长，对工业生产你主要应考虑哪些问题？增大化学反应速率单位时间内产率高增大化学反应限度原料的利用率高另外还要考虑生产中的消耗能源、原料来源、设备条件、环境保护等因素。反应的自发性？合成氨反应是一个可逆反应: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？△H-T△S=-33.14kJ·mol-10自发合成氨反应有哪些特点？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？N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H＝-92.2kJ/mol(1体积)(3体积)(2体积)思考？1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2、H2体积比对产率的影响NH3%请同学们根据合成氨反应的特点，利用影响化学平衡移动的因素，分析什么条件有利于提高氨的产率？一、合成氨反应的限度___温、___压有利于化学平衡正向移动，N2、H2浓度比为_____有利于原料充分反应，从而提高氨的产率。低高1：31、你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂二、化学反应速率2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请你根据关系式分析：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？增大N2`H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去催化剂对合成氨反应速率的影响条件△E/KJ/molk(催)/k(无)无催化剂3353.4×1012(700k)使用Fe催化剂167使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。3.分析催化剂对速率的影响合成氨的适宜条件的选择生成物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压强速率分析使NH3生产得快外界条件高压高温使用增大浓度减小浓度平衡分析使NH3生产得多高压低温无影响增大浓度减小浓度【交流·研讨】研讨的内容研讨的问题1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？压强怎么定？2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？3、催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？温度怎么选择？要不要用催化剂？1、压强怎么选？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。实际生产中压强一般选择在100～1000大气压之间。2、温度怎么选择？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）。3、使用催化剂？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。4、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。（阅读课本67-68页）外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度研讨的结果根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强（100～1000大气压）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。【小结·反思】工业上利用某可逆反应生产产品：二、合成氨工业简述：1、主要流程：原料气制取净化压缩合成分离液氨2、原料气制取：空气压缩碳液态空气N2(先逸出)物理方法蒸发CO2(+N2)N2化学方法分离出CO2制氮气:（造气）（净化）（合成氨）制氢气:天然气CO+H2CO2+H2H2H2O(气)分离出CO2CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)H2O(气)例题：能使合成氨反应进行程度增大的方法是()A、升高温度B、降低压强C、使用催化剂D、及时分离出氨气D1．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（）（A）不断将NH3分离出来（B）使用催化剂（C）采用700K左右的高温（D）采用2×107～5×107Pa的压强练一练：BC2、合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：CO(g)+H2O（g）CO2(g)+H2(g)（正反应放热），下列措施中，能提高CO转化率的是（）A、增大压强B、降低温度C、增大水蒸气浓度D、增大CO浓度BC3、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（）(A)延长反应时间(B)充入过量H2(C)充入过量N2(D)升高温度C5.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2(g)X2Y4(g)（正反应为放热反应）()A.高温高压B.低温低压C.高温低压D.高压低温D6.对于反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)下列判断正确的是()A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动C.平衡时,SO2消耗速率必定等于O2的生成速率的两倍D.平衡时,SO2浓度必定等于O2浓度的两倍.BC