化学反应条件的优化工业合成氨.doc

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1、第2章第4节化学反应条件的优化——工业合成氨编写：唐河一高中王书成【学习目标】1．能从化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件（理论指导）；2．了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法（了解实际上选择条件的思路、方法、结果），体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；3．通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。4.补充：了解合成氨生产的主要流程。【学习重点、难点】利用化学反应速率与化学平衡原理分析合成氨的适宜条件（实际上选择条件的思路、方法、

2、结果）[学习过程](NH4)2CO3简称碳铵，在农业上是一种化肥，它是怎样制取的？2NH3+CO2(少量)+H2O=(NH4)2CO3NH4NO3简称硝铵，溶于水时吸热，可作制冷剂、化肥，它是怎样制取的？NH3在工业上又是怎样生产的？。利用N2、H2合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，经历了大约130年的时间。为啥经历了这么长时间？这里面涉及到对反应条件的优化、对所用材料的选择、对催化剂的研制等一系列问题。我们主要学习：化学反应条件的优化。理论对合成氨的指导作用（

3、反应限度、速率）一、合成氨反应的限度交流·研讨：1.N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。已知298K时：△H=-92.2kJ·mol-1，△S=-198.2J·K-1·mol-1。298K时合成氨反应能否自发进行？△H－T△S＝－92.2kJ·mol－1＋298K×0.1982kJ·K－1·mol－1＝－92.2+298×0.2kJ·mol－1＜0，故该反应在298K时能自发进行。又知，该反应在298K时的平衡常数K为：4.1×106（mol·L-1）－2。当平衡常数K＞105时，反应进行得较

4、完全。可见：298K即250C时反应达到平衡时进行得很完全。交流·研讨：2.请利用化学平衡移动的知识分析：N2(g)+3H2(g)2NH3(g),放热反应，什么条件有利于氨的合成？由平衡移动原理可知，欲提高氨的产率（使氨生成多），应该采用高压、低温的条件。从浓度的角度来看：5000C、不同压强时，H2、N2的体积比和平衡时NH3的含量有如下的关系：从图上看，什么时候，NH3的含量最高？下图是温度、压强、平衡时氨的物质的量百分数（体积分数）的关系图。图中反映了哪些信息？合成氨反应在298K时能自发进

5、行，反应限度也很大,但是反应速率几乎为零。二、合成氨反应的速率交流·研讨：1、什么条件能提高反应速率？升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂可以提高合成氨反应的速率。2.在特定条件下，合成氨反应的速率：=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)。怎样控制氨气的浓度来提高反应速率？三、合成氨的适宜条件总结：理论对合成氨适宜条件的指导作用（反应限度、速率）提高平衡转化率提高化学反应速率反应特点措施反应特点措施1.放热低温1活化能高使用催化剂2.分子数减小高压2．低温时反应速率低高温3.可逆

6、反应3.原料气浓度增加能提高反应率增大原料气的浓度、高压分离出氨气4.氨气浓度增加能降低反应速率合成氨工业的实际条件及选择的理由1、压强有低压（约100atm）、中压、高压①理论上用高压，②实际上要根据钢材质量及综合指标（如压强越大，动力消耗就越高，成本增加）来选择。在中压条件下，合成氨出气口的氨含量一般为13%～14%。2、温度700K左右（4270C）①理论上温度对于限度和速率的影响相互矛盾②实际上用高温，是为了用较高的速率获得适当的转化率。另外700K时催化剂的活性最大。3、使用铁触媒(以铁

7、为主体的多成分催化剂)做催化剂①使反应物在较低温度下较快的进行反应，②能缩短达到平衡的时间。使用催化剂时必须注意其活性温度范围，并防止催化剂“中毒”。4、原料气N2、H2物质的量之比为1:2.8①N2、H2物质的量之比为1:3时转化率最高，但反应速率不大，②N2、H2物质的量之比为1:2.8时，通过提高N2的含量来提高N2的吸附速率，使反应速率增大。5、分离出NH36、其它：未转化的合成气循环使用等。说明：1、合成氨的反应式通常写为N2+3H22NH32、原料气的制备（见69页）：（1）制N2:空

8、气液化，再汽化，N2先挥发，从而除去O2。或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。（2）制H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。以天然气为原料时，反应可简单表示为：CH4＋H2O＝CO＋3H2  CO＋H2OCO2＋H2传统方法：C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)，CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)      3、合成氨的简易流程图为 4、根据理论对合成氨的指导（见下表），请你预测合成氨的可能方向是什么？理论指导使氨生产