第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化

——工業(yè)合成氨1.了解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件；2.了解應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法，體驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)的選擇與理論分析的差異；3.通過(guò)對(duì)合成氨適宜條件的分析，認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。19世紀(jì)以前，有遠(yuǎn)見(jiàn)的化學(xué)家曾指出：考慮到將來(lái)的糧食問(wèn)題，為使子孫后代免于饑餓，必須寄希望于科學(xué)家能實(shí)現(xiàn)大氣固氮——將空氣中豐富的氮固定下來(lái)并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式。德國(guó)化學(xué)家哈伯在1913年實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿足了20世紀(jì)人口由30億增至60億對(duì)糧食的需求，因此人們贊揚(yáng)哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。弗里茨·哈伯用空氣制造面包的天使利用氮?dú)狻錃鉃樵虾铣砂钡墓I(yè)化生產(chǎn)曾是一個(gè)較難的課題，從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了150年的時(shí)間。反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起來(lái)十分簡(jiǎn)單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會(huì)經(jīng)歷如此漫長(zhǎng)的過(guò)程？合成氨工廠為什么需要龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件？應(yīng)該從哪些方面選擇合成氨的反應(yīng)條件？化學(xué)反應(yīng)的方向化學(xué)反應(yīng)的限度化學(xué)反應(yīng)的速率合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行怎樣能使化學(xué)平衡向合成氨方向移動(dòng)怎樣能提高合成氨反應(yīng)速率適宜的合成氨條件工藝流程化學(xué)工藝學(xué)高壓對(duì)設(shè)備材質(zhì)、加工制造的要求、溫度對(duì)催化劑活性的影響等合成氨反應(yīng)有哪些特點(diǎn)？①可逆反應(yīng)③正反應(yīng)氣體體積縮小④正反應(yīng)是放熱反應(yīng)②熵減小的反應(yīng)ΔS<0N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝-92.4kJ/mol(1體積)(3體積)(2體積)(一)合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時(shí):ΔH=-92.2kJ·mol-1

ΔS=-198.2J·K-1·mol-1合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)K=4.1×106（mol·L-1)-2請(qǐng)根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？ΔH-TΔS=-92.2kJ·mol-1+298K×198.2×10-3kJ·k-1·mol-1因?yàn)棣-TΔS<0，298K下合成氨反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。已知增加N2的量能增大H2的轉(zhuǎn)化率，結(jié)合方程式判斷：工業(yè)合成氨時(shí)加入氮?dú)獾牧渴窃蕉嘣胶脝幔縉2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH

＝－92.4kJ/mol不是。經(jīng)研究，工業(yè)合成氨采用N2:H2=1:2.8效果較好。（二）合成氨反應(yīng)的限度1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2、H2體積比對(duì)產(chǎn)率的影響降低溫度、增大壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡正向移動(dòng)。1、實(shí)驗(yàn)表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為：ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)請(qǐng)你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃度對(duì)反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來(lái)提高反應(yīng)速率？增大N2、H2濃度,將氨及時(shí)從混合氣中分離出去（三）合成氨反應(yīng)的速率2、請(qǐng)你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響：催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響條件△E/KJ/molK(催)/k(無(wú))無(wú)催化劑3353.4×1012(100k)使用Fe催化劑167使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬(wàn)億倍。（三）合成氨反應(yīng)的速率3、請(qǐng)根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，結(jié)合影響反應(yīng)速率的因素，思考什么條件下能使氨生成的快？升高溫度增大壓強(qiáng)增大反應(yīng)物濃度使用催化劑請(qǐng)?zhí)顚懴卤恚荷砂钡臐舛确磻?yīng)物的濃度催化劑溫度壓強(qiáng)速率分析平衡分析使NH3生產(chǎn)的快使NH3生產(chǎn)的多外界條件高壓高壓低溫高溫使用無(wú)影響增大濃度增大濃度減小濃度減小濃度（四）合成氨的適宜條件的選擇思考：溫度是否越高越好？壓強(qiáng)是否越大越好？考慮催化劑的活性考慮設(shè)備的耐壓能力N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝-92.4kJ·mol-1讓我好好想想？外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑濃度將生成的氨及時(shí)從混合氣中分離出來(lái)，且向循環(huán)氣中不斷補(bǔ)充N2、H2(1:2.8)。

適宜溫度（500℃左右）使用鐵作催化劑2×107～5×107Pa(20～50MPa)(催化劑活性大)1.一般要使用催化劑：2.選擇合適的溫度：3.選擇合適的壓強(qiáng)：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要綜合考慮設(shè)備等。該溫度是催化劑活性最大的溫度；加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟(jì)效益；工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品有哪些注意事項(xiàng)？例(雙選)在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列變化過(guò)程不能使平衡向右移動(dòng)的是（

）A.不斷將NH3分離出來(lái)B.使用催化劑C.采用700K左右的高溫D.采用2×107～5×107Pa的壓強(qiáng)BC合成氨工業(yè)簡(jiǎn)述：1.主要流程：原料氣制取→凈化→壓縮→合成→分離→液氨2.原料氣制取：常用壓縮液態(tài)空氣N2(先逸出)蒸發(fā)制氮?dú)?（造氣）（凈化）（合成氨）制氫氣:水蒸氣CO+H2CO2+H2H2

熾熱碳H2O(氣)分離出CO2

合成氨的壓縮機(jī)催化劑的催化能力一般稱為催化活性。催化劑因接觸少量的雜質(zhì)而使活性明顯下降甚至被破壞，稱為催化劑的中毒。催化劑中毒后，往往會(huì)完全失去活性，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。例如，對(duì)于合成氨反應(yīng)中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。工業(yè)上為了防止催化劑中毒，要把反應(yīng)物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設(shè)備，提高成本。因此，研制具有較強(qiáng)抗毒能力的新型催化劑，是一個(gè)重要的課題。催化劑中毒

解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠；1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬(wàn)噸；1982年達(dá)到1021.9萬(wàn)噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。近幾年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展情況：工業(yè)合成氨的適宜條件:(速率較快,轉(zhuǎn)化率適中，催化劑活性最大)溫度:700K壓強(qiáng):2×107～5×107Pa（200～500atm）催化劑：鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑)濃度：將生成的氨及時(shí)從混合氣中分離出來(lái)，且向循環(huán)氣中不斷補(bǔ)充N2、H2（1:2.8)。1.能使合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度增大的方法是（）A.升高溫度B.降低壓強(qiáng)C.使用催化劑D.及時(shí)分離出氨氣 D2.（雙選）合成氨所需的H2可由煤和水蒸氣反應(yīng)制得，其中一步的反應(yīng)為CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)（正反應(yīng)放熱），下列措施中，能提高CO轉(zhuǎn)化率的是（）A.增大壓強(qiáng)B.降低溫度C.增大水蒸氣濃度D.增大CO濃度BCC3.一定溫度下，向一個(gè)容積為2L的事先加入催化劑的真空密閉容器中通入1molN2和3molH2，3min后測(cè)得容器的壓強(qiáng)是起始?jí)簭?qiáng)的0.9倍，在此時(shí)間內(nèi)，用H2的量的變化來(lái)表示該反應(yīng)的平均速率是（）A.0.2mol·L-1·min-1B.0.6mol·L-1·min-1

C.0.1mol·L-1·min-1D.0.3mol·L-1·min-14.在合成氨時(shí)，可以提高H2轉(zhuǎn)化率的措施是（）A.延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間B.充入過(guò)量H2C.充入過(guò)量N2D.升高溫度5.下列反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，哪種條件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2(g)

X2Y4(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）()A.高溫高壓B.低溫低壓C.高溫低壓D.低溫高壓CD6.關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說(shuō)法正確的是（）A.從合成塔出來(lái)的氣體中氨一般占15%，所以工業(yè)生產(chǎn)氨的效率都很低B.由于NH3易液化，N2、H2可循環(huán)使用，因此總的來(lái)說(shuō)工業(yè)合成氨的產(chǎn)率很高C.合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500℃左右，目的是使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)D.合成氨工業(yè)采用20

MPa～50MPa的壓強(qiáng)，是因?yàn)樵摋l件下催化劑的活性最好B7.（雙選）對(duì)于反應(yīng):2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)，下列判斷正確的是()A.2體積SO2和足量O2反應(yīng),必定生成2體積SO3B.其他條件不變,增大壓強(qiáng),平衡向右移動(dòng)C.平衡時(shí),SO2的消耗速率必定等于O2的生成速率的兩倍D.平衡時(shí),SO2濃度必定等于O2濃度的兩倍BC8.已知2SO2(g)+O2(g)