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1、合成氨条件的选择合成氨条件的选择2021/8/11 星期三11、合成氨的化学反应方程式、特点、合成氨的化学反应方程式、特点2、分析合成氨的合适条件、分析合成氨的合适条件3、工业上合成氨的合适条件、工业上合成氨的合适条件4、选择适宜化工生产条件的原则、选择适宜化工生产条件的原则7、练习、练习目目 录录 6、小结、小结5、合成氨工业发展前景、合成氨工业发展前景8、哈伯和哈伯法合成氨背景资料、哈伯和哈伯法合成氨背景资料2021/8/11 星期三2第四节第四节 合成氨条件的选择合成氨条件的选择问题问题1 请同学们写出合成氨的化学反应方请同学们写出合成氨的化学反应方程式，并分析这个反应有什么特点？程式，
2、并分析这个反应有什么特点？特点：特点：a、可逆反应、可逆反应b、正反应为放热反应、正反应为放热反应c、正反应是气体体积缩小的反应。、正反应是气体体积缩小的反应。N2+3H2 2NH3(正反应为放热反应正反应为放热反应)2021/8/11 星期三3问题问题2 要提高合成氨的生产效益，具体应从哪要提高合成氨的生产效益，具体应从哪 些方面来考虑？些方面来考虑？要使氨生成得更快（即提高单要使氨生成得更快（即提高单位时间里氨的产量）位时间里氨的产量）化学反应速率问题化学反应速率问题要使氨生成得更多（即提高平衡要使氨生成得更多（即提高平衡混合物里氨的含量）混合物里氨的含量）化学平衡问题化学平衡问题提提高高
3、合合成成氨氨的的生生产产效效益益2021/8/11 星期三4讨论讨论 根据外界条件对化学反应速率的影响，说明要使合成氨的根据外界条件对化学反应速率的影响，说明要使合成氨的化学反应速率增大，应采取哪些措施？应用化学平衡移动原理，化学反应速率增大，应采取哪些措施？应用化学平衡移动原理，说明要提高平衡混合物中氨气的含量，应采取哪些措施？说明要提高平衡混合物中氨气的含量，应采取哪些措施？合成氨反应合成氨反应N N2 2+3H+3H2 2 2NH 2NH3 3（正反应为放热反应）（正反应为放热反应）使使NH3生成得快生成得快（从反应速率分析）（从反应速率分析）使使NH3生成得多生成得多（从化学平衡分析）
4、（从化学平衡分析）压强压强温度温度催化剂催化剂浓度浓度目的目的选择选择条件条件高压高压高温高温使用催化剂使用催化剂增大反应物浓度增大反应物浓度高压高压低温低温无影响无影响增大反应物浓度增大反应物浓度 减小生成物浓度减小生成物浓度2021/8/11 星期三5请同学们对比下表（课本表请同学们对比下表（课本表2-3）的实验数据，）的实验数据，检查自己的理论推断是否正确。检查自己的理论推断是否正确。2021/8/11 星期三6分别从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合分别从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合成氨的合适条件成氨的合适条件。结结 论论从反应速率的角度看：从反应速率的角度看：温度越高、温度
5、越高、压强越大，化学反应越快，压强越大，化学反应越快，使用使用合适的催化剂，反应加快，单位合适的催化剂，反应加快，单位时间内生成的时间内生成的NH3越多；越多；从化学平衡的角度看：从化学平衡的角度看：高压、低高压、低温，平衡时生成物温，平衡时生成物NH3的含量的含量（体积分数）高。（体积分数）高。2021/8/11 星期三7讨论讨论1、既然增大压强可提高反应速率，又可提高氨、既然增大压强可提高反应速率，又可提高氨的含量，那么在合成氨工业中压强是否越大越的含量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？好？2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么在合成
6、氨工业中温度是否越低越好？动，那么在合成氨工业中温度是否越低越好？3、催化剂对化学平衡没有影响，在合成氨工业、催化剂对化学平衡没有影响，在合成氨工业中是否需要使用催化剂？中是否需要使用催化剂？一、合成氨的适宜条件一、合成氨的适宜条件提示提示 综合考虑化学反应速率和化学平衡移动综合考虑化学反应速率和化学平衡移动的原理，再根据工业生产特点和实际需要，选择的原理，再根据工业生产特点和实际需要，选择合成氨的适宜条件。合成氨的适宜条件。条件条件条件2021/8/11 星期三8讨论讨论从表从表2-3数据表明，即使在数据表明，即使在500C和和30MPa的条的条件下，平衡混和物中氨的含量仅达件下，平衡混和物
7、中氨的含量仅达26.4%，即，即转化率仍不够大，为了使平衡向生成氨的方向转化率仍不够大，为了使平衡向生成氨的方向移动，提高移动，提高N2、H2的转化率的转化率,还可以采取哪些措还可以采取哪些措施？施？条件条件2021/8/11 星期三9使用催化剂：使用催化剂：可以大大加快化学反应速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；率，提高生产效率，也提高了经济效益；合合成成氨氨的的适适宜宜条条件件选择合适的温度：选择合适的温度：500左右，提高反应左右，提高反应速率，又是合成氨催化剂的活性温度；速率，又是合成氨催化剂的活性温度；选择合适的压强：选择合适的压强：20MPa50MPa，有利
8、，有利于氨的合成，该压强下进行生产，对动于氨的合成，该压强下进行生产，对动力、材料、设备等来说正合适。力、材料、设备等来说正合适。浓度：浓度：将氨气液化后及时分离出来，所将氨气液化后及时分离出来，所得原料气（过量得原料气（过量N2、H2）循环使用，并）循环使用，并及时补充及时补充N2、H2返回讨论9返回讨论102021/8/11 星期三10合成氨的化学反应原理合成氨的化学反应原理 N2+3H2 2NH3铁触媒铁触媒 500C20MPa-50MPa2021/8/11 星期三112021/8/11 星期三12合成氨工业的主要流程：合成氨工业的主要流程：2021/8/11 星期三13合成氨生产示意图
9、合成氨生产示意图2021/8/11 星期三14讨论讨论 工业上选择适宜化工生产条件要坚持工业上选择适宜化工生产条件要坚持 什么原则？什么原则？选选择择适适宜宜生生产产条条件件原原则则1、注意外界条件对化学反应速率和化、注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，还要注意对化学平衡影响的一致性，还要注意对化学反应速率和化学平衡影响的矛盾性；学反应速率和化学平衡影响的矛盾性；2、既要注意温度、催化剂对速率影响、既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制；温度的限制；3、既要注意理论上的需要，又要注意、既要注意理论上的需要，又要注意
10、实践中的可能性实践中的可能性2021/8/11 星期三15参考题目：参考题目：生物中植物对氮的需求生物中植物对氮的需求生物固氮的原理和条件生物固氮的原理和条件理想的人工固氮条件理想的人工固氮条件二、合成氨工业的发展前景二、合成氨工业的发展前景讨论讨论设想合成氨的发展前景设想合成氨的发展前景哈伯哈伯2021/8/11 星期三16化学模拟生物固氮化学模拟生物固氮人工固氮人工固氮：（化学固氮）条件高、成本高、：（化学固氮）条件高、成本高、转化率低、效率低转化率低、效率低根瘤菌根瘤菌：（生物固氮）常温常压、成本低、：（生物固氮）常温常压、成本低、转化率高、效率高转化率高、效率高氮的固定：氮的固定：把游
11、离态的氮转化为化合态氮把游离态的氮转化为化合态氮的过程的过程2021/8/11 星期三17小结小结合合成成氨氨的的适适宜宜条条件件压强：压强：20MPa-50MPa温度：温度：500C左右左右催化剂：铁触媒催化剂：铁触媒浓度：将氨气液化后及时分离出浓度：将氨气液化后及时分离出来，所得原料气（过量来，所得原料气（过量N2、H2）循环使用，并及时补充循环使用，并及时补充N2、H2N2+3H2 2NH3铁触媒铁触媒 500C 20MPa-50MPa合成氨的反应原理：合成氨的反应原理：思考题练习题背景资料2021/8/11 星期三18背景资料背景资料哈伯和哈伯法合成氨哈伯和哈伯法合成氨 19 19世纪
12、以前，一些有远见的化学家指出：考虑世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，在在2020世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和重大课题。哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一。理论研究的化学家之一。返回前景返回前景2021/8/11 星期
13、三19利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的利用氮、氢为原料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，约经历了课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了150150年的年的时间。时间。17951795年有人试图在常压下进行氨合成，后来又有人在年有人试图在常压下进行氨合成，后来又有人在5050个大气压下试验，结果都失败了。个大气压下试验，结果都失败了。1919世纪下半叶，物理化世纪下半叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使反应推向生成氨的方向：提高温度会将反的，增
14、加压力将使反应推向生成氨的方向：提高温度会将反应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化剂对反应将产生重要影响。这实际上就为合成氨的试验提供剂对反应将产生重要影响。这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导。当时物理化学的权威、德国的了理论指导。当时物理化学的权威、德国的能斯特能斯特就明确指就明确指出：氮和氢在高压条件下是能够合成氨的，并提供了一些实出：氮和氢在高压条件下是能够合成氨的，并提供了一些实验数据。法国化学家验数据。法国化学家勒夏特里勒夏特里第一个试图进行高压合成氨的第一个试图进行高压合成氨的实验，但是由于氮氢混和气中混进了氧
15、气，引起了爆炸，使实验，但是由于氮氢混和气中混进了氧气，引起了爆炸，使他放弃了这一危险的实验。在物理化学研究领域有很好基础他放弃了这一危险的实验。在物理化学研究领域有很好基础的的哈伯哈伯决心攻克这一令人生畏的难题。决心攻克这一令人生畏的难题。返回前景返回前景2021/8/11 星期三20哈伯首先进行一系列实验，探索合成氨的最佳物哈伯首先进行一系列实验，探索合成氨的最佳物理化学条件。在实验中他所取得的某些数据与能斯特理化学条件。在实验中他所取得的某些数据与能斯特的有所不同，他并不盲从权威，而是依靠实验来检验，的有所不同，他并不盲从权威，而是依靠实验来检验，终于证实了能斯特的计算是错误的。在一位来
16、自英国终于证实了能斯特的计算是错误的。在一位来自英国的学生的学生洛森诺洛森诺的协助下，哈伯成功地设计出一套适合的协助下，哈伯成功地设计出一套适合于高压实验的装置和合成氨的工艺流程，这流程是：于高压实验的装置和合成氨的工艺流程，这流程是：在炽热的焦炭上方吹入水蒸汽，可以获得几乎等体积在炽热的焦炭上方吹入水蒸汽，可以获得几乎等体积的一氧化碳和氢气的混和气体。的一氧化碳和氢气的混和气体。其中的一氧化碳在催其中的一氧化碳在催化剂的作用下，进一步与水蒸汽反应，得到二氧化碳化剂的作用下，进一步与水蒸汽反应，得到二氧化碳和氢气。然后将混和气体在一定压力下溶于水，二氧和氢气。然后将混和气体在一定压力下溶于水，
17、二氧化碳被吸收，就制得了较纯净的氢气。同样将水蒸汽化碳被吸收，就制得了较纯净的氢气。同样将水蒸汽与适量的空气混和通过红热的炭，空气中的氧和碳便与适量的空气混和通过红热的炭，空气中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉，从而得到了生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉，从而得到了所需要的氮气。所需要的氮气。返回前景返回前景2021/8/11 星期三21氮气和氢气的混和气体在高温高压的条件下及催化剂氮气和氢气的混和气体在高温高压的条件下及催化剂的作用下合成氨。但什么样的高温和高压条件为最佳？以的作用下合成氨。但什么样的高温和高压条件为最佳？以什么样的催化剂为最好？这还必须花大力气进行探索。以什么
18、样的催化剂为最好？这还必须花大力气进行探索。以楔而不舍的精神，经过不断的实验和计算，楔而不舍的精神，经过不断的实验和计算，哈伯终于在哈伯终于在19091909年年取得了鼓舞人心的成果。这就是在取得了鼓舞人心的成果。这就是在600600的高温、的高温、200200个大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为个大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为8 8的合成氨的合成氨。8 8的转化率不算高，当然会影响生产的经济的转化率不算高，当然会影响生产的经济效益。哈伯知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高效益。哈伯知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高的转化率，在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化率几
19、乎的转化率，在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化率几乎接近于接近于100100。怎么办？哈伯认为若能使反应气体在高压。怎么办？哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工，并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离下循环加工，并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来，则这个工艺过程是可行的。出来，则这个工艺过程是可行的。于是他成功地设计了原于是他成功地设计了原料气的循环工艺料气的循环工艺。这就是。这就是合成氨的哈伯法合成氨的哈伯法。返回小结返回前景返回前景2021/8/11 星期三22返回小结 在硫酸的工业生产中，有以下反应在硫酸的工业生产中，有以下反应：2SO2(g)+2O2(g)2SO3(g)(正反
20、应为放正反应为放热反应），反应温度为热反应），反应温度为450C，使用，使用V2O5为催为催化剂。在此条件下，如果压强为化剂。在此条件下，如果压强为0.1MPa,SO2的转化率为的转化率为97.5%;压强为压强为10MPa,SO2转化率为转化率为99.3%,回答回答:工业生产中选择工业生产中选择450C左右的温度左右的温度,原因是什原因是什么么?增大压强时合成增大压强时合成SO3是否有利是否有利?在实际生产中在实际生产中应如何选择压强应如何选择压强?为什么为什么?生产中要用过量的空气生产中要用过量的空气,为什么为什么?2021/8/11 星期三23巩固练习巩固练习1.对于合成氨的反应来说对于合
21、成氨的反应来说,使用催化剂和施加高压使用催化剂和施加高压,下列叙述中正确的是下列叙述中正确的是()A.都能提高反应速率都能提高反应速率,都对化学平衡状态无影响都对化学平衡状态无影响B.都对化学平衡状态有影响都对化学平衡状态有影响,都不影响达到平衡都不影响达到平衡状态所用的时间状态所用的时间C.都能缩短达到平衡状态的时间都能缩短达到平衡状态的时间,只有压强对化只有压强对化学平衡状态有影响学平衡状态有影响D催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而压强无此作用而压强无此作用C返回小结2021/8/11 星期三242、在一密闭容器中，、在一密闭容器中，N2、H2
22、合成氨的反应已达到合成氨的反应已达到平衡。此时再往容器中通入一定量平衡。此时再往容器中通入一定量N2,保持温度和保持温度和容器体积不变，当反应再次达到平衡时，与第一容器体积不变，当反应再次达到平衡时，与第一次平衡状态相比（）次平衡状态相比（）（）（）的百分含量增大的百分含量增大（）（）的浓度增大的浓度增大（）（）的转化率提高的转化率提高（）（）的转化率提高的转化率提高2021/8/11 星期三253、在合成氨工业中，为增加、在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是：（变化过程不能使平衡向右移动的是：（）(A)不断将不断将NH3分离出来分离出来(B)
23、使用催化剂使用催化剂(C)采用采用500 左右的高温左右的高温(D)采用采用20 0 MPa-50MPa的压强的压强B C2021/8/11 星期三264、在合成氨时，可以提高、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（转化率的措施是（）(A)延长反应时间延长反应时间 (B)充入过量充入过量H2(C)充入充入过量过量N2 (D)升高温度升高温度C2021/8/11 星期三275、关于氨的合成工业的下列说法正确的是、关于氨的合成工业的下列说法正确的是（）(A)(A)从合成塔出来的气体，其中氨一般占从合成塔出来的气体，其中氨一般占15%15%，所以生，所以生产氨的工业的效率都很低产氨的工业的效率都很
24、低(B)(B)由于由于NHNH3 3易液化，易液化，N N2 2、H H2 2可循环使用，则总的说来氨可循环使用，则总的说来氨的产率很高的产率很高(C)(C)合成合成氨工业的反应温度控制在氨工业的反应温度控制在500 500 左右，目的左右，目的是使平衡向正反应方向进行是使平衡向正反应方向进行(D)(D)合成合成氨工业采用氨工业采用2020 MPa-50MPa 50MPa，是因该条件，是因该条件下催化剂的活性最好下催化剂的活性最好B2021/8/11 星期三286、在一定条件下，将、在一定条件下，将N N2 2和和H H2 2的混和气体通入固定容积的的混和气体通入固定容积的密闭容器中进行合成氨
25、反应：密闭容器中进行合成氨反应：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3(正正反应为放热反应反应为放热反应)下列图像表示正确的是：下列图像表示正确的是：（）A C(A)(B)(C)(D)2021/8/11 星期三297.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：的含量最高：X2(g)+2Y2(g)X2Y4(g)（正反应为放热反应）（正反应为放热反应）()A.高温高温 高压高压 B.低温低温 低压低压 C.高温高温 低压低压 D.高压高压 低温低温D2021/8/11 星期三308.对于反应对于反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)下列
26、判断正确的是下列判断正确的是()A.2体积体积SO2和足量和足量O2反应反应,必定生成必定生成2体积体积SO3 B.其他条件不变其他条件不变,增大压强增大压强,平衡向右移动平衡向右移动C.平衡时平衡时,SO2消耗速率必定等于消耗速率必定等于O2的生成速率的生成速率 的两倍的两倍D.平衡时平衡时,SO2浓度必定等于浓度必定等于O2浓度的两倍浓度的两倍.BC2021/8/11 星期三319.在一定条件下在一定条件下,合成氨反应达到平衡后合成氨反应达到平衡后,混合混合气体中气体中NH3的体积占的体积占25%,若反应前后条件保持若反应前后条件保持不变不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物体则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的之比是积的之比是()A B C DA2021/8/11 星期三322021/8/11 星期三33