化学反应条件的优化——工业合成氨同安一中李欣欣2019.6.9新课·导入民以食为天，靠天吃饭获得的粮食能否养活世界如此多的人口？【问题】空气中有N2和O2，而H2需要人工制备，为什么科学家要选择N2和H2来合成氨呢？克鲁克斯“向空气要氮肥”合成氨反应的方向合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时:H=-92.2KJ·mol△-1△S=-198.2J·K-1·mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？哈伯“实验室合成氨”弗里茨·哈伯，德国化学家，1868年12月9日出生在德国西里西亚布雷斯劳的一个犹太人家庭。1909年，成为第一个从空气中制造出氨的科学家，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展，因此获得1918年瑞典科学院诺贝尔化学奖。合成氨反应的限度【问题】若想提高氨在平衡混合气中的含量，可以采取哪些措施？N2和H2比对产率的影响【结论】低温高压，N2和H2比为1:2.8合成氨反应的速率【问题】在实际的工业生产中我们还需要考虑反应的速率，哪些措施可以加快N2和H2的反应呢？ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)【措施】1.升高温度2.增大压强3.使用催化剂4.提高N2、H2浓度N2(g)+3H2(g)2NH3(g)哈伯“循环法”合成氨哈伯提出若能将N2和H2在高压下循环加工，并从循环系统中不断分离出氨，在工业上肯定会有价值，并在1908年申请专利，即“循环法”N2(g)+3H2(g)2NH3(g)资料卡片合成氨“催化剂”的选择历程铁触媒做催化剂哈伯奥斯特瓦尔德博施博施【资料一】粉末状的锇是一种贵金属，储量较少，常温下会逐渐氧化成四氧化锇。四氧化锇在48℃时熔化，在130℃沸腾。锇蒸气有剧毒，强烈刺激人眼黏膜，严重时会造成失明。试验了2500种配方，进行了6500次实验用金属锇做催化剂用铁丝做催化剂用铁直接催化N2和H2不产生氨合成氨反应的速率博施及助手先后试验了2500种配方，进行了6500次实验，终于确定了使用铁触媒作为工业合成氨的催化剂ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)条件Ea/kJ/molk(催)/k(无)无催化剂3353.4×1012(700k)使用铁催化剂167合成氨反应适宜条件的选择生成物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压强速率分析使NH3生产得快外界条件高压高温使用增大浓度减小浓度平衡分析使NH3生产得多高压低温无影响增大浓度减小浓度【思考】工业生产上温度与压强应如何选择？还要考虑哪些因素？合成氨反应适宜条件的选择温度的选择①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。③催化剂要在一定温度下催化活性最大。合成氨反应适宜条件的选择压强的选择①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。②但是压强越大，对设备的要求高，因此选择压强应符合实际科学技术。资料卡片【资料三】高温、高压条件下，氢气使钢脱碳，导致“氢腐蚀”。“氢腐蚀”有两种形式：（1）氢气与钢表面的碳结合，引起表面脱碳，使机械性能恶化；（2）氢气渗透到钢材内部，与碳化合生成甲烷，在刚才内部造成裂纹。【资料二】博施和他的学生高温高压的条件下进行合成氨实验时，反应塔钢壁厚度达3cm，但仅仅3天的时间就破裂了，在场的学生无不震惊，惊叹高压的可怕博施发明“双层反应塔”在当时的情况下，博施对反应塔内壁进行了改良（1）采用含碳量极低的熟铁作为反应塔的衬里，但高压的情况还是不能避免H2从熟铁衬里逸出（2）在熟铁衬里和钢壁上开出许多小孔，让氢气逸出——双层塔终于诞生博施的贡献卡尔·博施是德国工业化学家，1874年8月27日生于德国科隆。在莱比锡大学攻读有机化学，24岁时获博士学位。他带领他的团队解决了廉价催化剂和耐高温高压设备问题，开创了工业合成氨的时代，荣获1931年诺贝尔化学奖归纳总结外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强适宜温度700K左右使用铁触媒作催化剂N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去总结与反思造气、净化、合成氨防催化剂中毒净化压缩合成分离H2:N2（2.8:1)造气液氨N...
