化學反應條件的優化—工業合成氨

第一次世界大戰爆發后,英國從海上完全封鎖了與之為敵的德國,硝石不能從智利進口了.農田沒有肥料,就會缺糧食;缺乏硝酸就會缺少炸藥,德國就會投降.可是兩年過去了，1916年德國的農田仍一片蔥綠,前線的炮火反而更加猛烈了.這是怎么回事?是誰創造了這個奇跡呢?回顧一段歷史……早在19世紀以前，為了滿足人們對氮肥，含氮的化合物日益增長的需求，英國物理學家克魯克斯率先發出了“向空氣中要氮肥”的號召哈伯實驗室合成氨,1918年諾貝爾化學獎博施實現工業合成氨，1931年諾貝爾化學獎克魯克斯回顧一段歷史……弗里茨.哈伯：德國化學家，出生于一個猶太富商家中。1900年獲得博士學位。1908年7月首次合成氨氣，1909年7月建成每小時生產90克氨氣的實驗裝置，1918年獲得諾貝爾化學獎。“用空氣制造面包的圣人”、“合成氨之父”

他在1914年研制生產了硝酸銨和黃色炸藥TNT，解決了德軍的軍火問題。在1915年1月，首次將氯氣用于戰場，后來又研制出了劇毒氣體光氣用于戰場。首創了使用化學毒劑的化學戰，在第一次世界大戰中有130萬人受到化學戰的傷害，其中9萬人死亡。“現代化學戰之父”回顧一段歷史……毀譽參半的哈伯（“天使”與“惡魔）哈伯【哈伯—實驗室合成氨的條件】N2(g)+3H2(g)2NH3(g)該反應能不能發生，在什么樣的條件下能更快、更多的獲取氨氣？【交流·研討】1.常溫下，氮氣和氫氣有可能合成氨氣嗎？2.若想提高氨在平衡混合氣中的含量，可以采取哪些措施？3.哪些措施能夠加快氮氣、氫氣合成氨的反應速率？反應方向反應限度反應速率1.反應方向：298K時，△H-T△S﹤0反應能自發進行

298K時，K=4.1×106(mol·L-1)-2【哈伯—實驗室合成氨的條件】哈伯[交流·研討]（P65頁）

請根據正反應的焓變和熵變分析在298K下合成氨反應能否自發進行？已知：298K時，?H=－92.2kJ·mol-1?S=－198.2J·K-1·mol-12.反應限度：①合成氨反應的特點是什么？（1）反應

可逆反應。（2）正反應是

熱的。（3）正反應是氣體體積

的反應。②采取哪些措施有利于提高合成氨反應的限度？（1）

溫度；（2）

壓強；（3）增大

濃度，減小

濃度哈伯【哈伯—實驗室合成氨的條件】N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H=-92.2KJ·mol-1是放減小降低增大氮氣、氫氣氨氣哈伯【哈伯—實驗室合成氨的條件】3.反應速率合成氨反應速率與反應物濃度關系：ν=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)條件△

E/kJ/molk(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700K)使用Fe催化劑167（1）

溫度；（2）

壓強；（3）增大

濃度，減小

濃度。（4）

催化劑升高增大使用可增大合成氨反應速率的措施氮氣、氫氣氨氣生成物氨氣的濃度反應物的濃度催化劑溫度壓強使NH3生產快使NH3產率高外界條件高壓高壓低溫高溫使用無影響增大濃度增大濃度減小濃度減小濃度小結矛盾平衡分析速率分析

壓強怎么選？問題１

用不用催化劑？問題2

溫度怎么選擇？問題3問題4轉化率仍不夠大，還可采取什么辦法？【資料一】鋨是一種貴重金屬，儲量較少，開發成本高，粉末狀的金屬鋨，常溫下會逐漸氧化成四氧化鋨。四氧化鋨在48℃時熔化，在130℃時沸騰。鋨蒸汽有劇毒，強烈刺激人眼黏膜，嚴重會造成失明。【資料二】高溫高壓條件下，氫氣會使鋼脫碳，導致氫腐蝕，使鋼的機械性能下降，氫氣會滲透到鋼材內部，使鋼材出現裂紋。【資料三】當氮氣與氫氣體積比為1:3時平衡混合物中氨的含量最高，但是氮氣在催化劑上吸附是反應中最難發生的步驟，是影響反應速率的關鍵步驟。【資料四】合成氨出氣口氨的含量較低，原料不能得到充分利用。博施【博施團隊—工業合成氨適宜條件】尋找合適的催化劑，降低成本制造耐高溫高壓設備調整氮、氫比例使未反應氣體循環利用工業生產要注重：原料易得，成本低，利用率高，生產效率高等博施【博施團隊—工業合成氨適宜條件】【交流·研討】1.為什么不盡可能使用更高的壓強？2.為什么反應溫度控制在700K左右？3.為什么氮氣與氫氣物質的量之比是1:2.8而不是1:3催化劑Fe在700K時催化活性最強【實驗室合成氨的條件】溫度壓強催化劑濃度450℃2×107Pa金屬鋨使氮氣氫氣循環，分離出氨氣反應速率，反應限度催化劑活性鋼材質量及綜合指標成本實際反應情況溫度壓強催化劑濃度700K107-108Pa鐵觸媒氮氣氫氣物質的量之比1:2.8【課堂小結】哈伯博施【工業合成氨適宜條件】工業生產需要啟示：1.理論必須與實踐相結合。2.工業生產要追求效益最大化。1.關于合成氨的反應，下列說法正確的是（）

A．溫度越高，反應速率越快，所以合成氨反應的溫度越高越好

B．壓強越大合成氨反應速率越大，工業上不采用過高的壓強主要是考慮反應的限度問題

C．使用催化劑可以提高單位時間內氨氣的產量

D．濃度越大，反應速率越快，所以不必把氨從混合物中分離出來【鞏固練習】C2.根據二氧化硫催化氧化為三氧化硫的反應特點和下表數據，選擇工業上制硫酸中二氧化硫接觸氧化的適宜條件。（1）2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）△H＜0（2）溫度和壓強對二氧化硫的平衡轉化率的影響（1）應該選用的溫度是：

。（2）應該采用的壓強是：

；

理由是：

壓強/Mpa轉化率%溫度/℃