普通高中課程標準試驗教科書化學反應原理（選修四）第二章化學反應方向、程度與速率第四節化學反應條件優化--工業合成氨第1頁第2頁自從1809年在南美州智利發覺了硝酸鈉礦床之后，智利硝石很快就成為當初世界上無機礦物含氮肥料主要起源，據預計，在1850-1900年間，全世界無機氮肥有70%來自智利硝石，但礦產資源是有限，這就迫使人們去思索：怎樣使大氣中游離態氮，用人工方法轉變成可為植物吸收化合態氮，即人工固氮，一直是化學家探索相關國計民生重大課題，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化學家研究焦點之一。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”錯誤結論。直到1909年，德國化學哈伯取得了突破性進展，成功地建立了每小時能產生80克氨裝置，從而使人們看到了處理這一問題曙光，開創了合成氨歷史，哈伯也所以取得了1918年諾貝爾化學獎。

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

△S=-198.2J·mol-1.K-1請依據正反應焓變和熵變分析298K下合成氨反應能否自發進行？298K下合成氨反應平衡常數K為４.１×１０６（mol·L-1)-2書P65第4頁合成氨反應特點：①可逆反應③正反應氣態物質系數減?、苷磻欠艧岱磻陟販p小反應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頁合成氨工業生產時主要考慮生產條件？（1）要使氨生成得更多（即提升平衡混合物里氨含量）

——化學平衡問題（2）要使氨生成得更加快（即提升單位時間里氨產量）

——化學反應速率問題第6頁【交流·研討2】

請利用化學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、___壓強有利于化學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研討結果第10頁【交流·研討3】1、你認為能夠經過控制那些反應條件來提升合成氨反應速率？2、試驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應速率與反應物質濃度關系為:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)請你依據關系式分析：各物質濃度對反應速率有哪些影響？能夠采取哪些辦法來提升反應速率？二、合成氨反應速率第11頁3、請你依據下表所給數據分析催化劑對合成氨反應速率影響：催化劑對合成氨反應速率影響條件△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3.使用催化劑使用催化劑可使合成氨反應速率提升上萬億倍。4.增大N2和H2濃度,將氨及時從混合氣中分離出去研討結果第13頁研討內容研討問題

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

在合成氨工業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、壓強怎么選？

分析：

①合成氨反應是氣態物質系數減小氣體反應，增大壓強既能夠增大反應速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強越大越好。

②不過壓強越大，對設備要求高、壓縮H2和N2所需要動力大，所以選擇壓強應符合實際科學技術。

綜合以上兩點:依據反應器可使用鋼材質量及綜合指標來選擇壓強。實際生產中壓強普通選擇在200～500大氣壓之間。第15頁

2、溫度怎么選擇？分析：

①因為正反應方向是放熱反應，所以降低溫度有利于平衡正向移動。

②可是溫度越低，反應速率越小，到達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:

經濟效益和社會效益要求化學反應速度要快，

原料利用率要高，單位時間產量要高。第17頁

4、濃度怎么定？N2

和H2百分比怎么定？

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

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

綜合原因:實際生產中溫度普通選擇在700K左右（主要考慮催化劑活性）。

實際生產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頁外部條件工業合成氨適宜條件壓強溫度催化劑濃度依據反應器可使用鋼材質量及綜合指標來選擇壓強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第20頁合成氨流程簡圖合成塔氨分離器液氨水冷器循環氣體壓縮機循環壓縮機氫氮混合氣第21頁第22頁第23頁第24頁第25頁第26頁第27頁