高中化学 第2章 化学反应的方向、限度与速率 2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨课件11 鲁科版选修4
高中化学第2章化学反应的方向限度与速率第4节化学反应条件的优化教案鲁科版
第4节化学反应条件的优化——工业合成氨一、教材分析本章教材前三节教材内容安排的是化学反应的方向、限度与速率的理论知识，分别从化学热力学角度介绍化学反应方向的判据以及浓度、温度等外界条件对化学平衡的影响，从化学动力学角度介绍影响化学反应速率的因素并进行定量研究和理性分析。
而在实际生产中，从化学热力学角度实现高转达化率所需的条件往往与从化学动力学角度实现高速率所需的条件相互矛盾。
为了以较高速率获得适当的转化率，人们通常对这两方面的研究结果进行综合分析，即进行反应条件的优化。
本节内容就是对前两部分知识的综合应用，以工业合成氨为例探究化学反应条件优化的选择方法，体现化学反应的方向、限度、速率等理论在优化选择化学反应条件方面的作用，初步尝试利用理论分析化工生产中的实际问题，引导学生考虑合成氨生产中动力、设备、材料生产效率等因素；再结合生产中的数据向学生介绍合成氨的实际生产条件，对合成氨的适宜条件进行选择，使他们在解决实际问题的过程中提升对化学反应的价值的认识；课堂中通过“动手”“动脑”“动口”等师生互动的方法来完成教与学的任务，达成教与学的目标。
二、教学设计思路三、教学过程合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生成条件呢？这就要求我们从动力学角度与化学平衡移动原理分析如何提高氨的产量。
【板书】化学反应条件的优化——工业合(g)【知识拓展】简单介绍我国合成氨工业的发展情况。
【知识前沿】化学模拟生物固氮根瘤菌，生物固氨。
常温常压下进行。
成本低、转化率高、效率高。
模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产过程。
结合理论依据和生产实际，适宜的合成氨条件为：铁催化剂，700K，根据反应器选择压强，氨气及时从混合气中分离出来，并且不断地向循环气中补充氮气、氢气。
(g)（1）应选用的温度是。
（2）应采用的压强是常压，理由是。
（3）在生产中，通入过量空气目的是。
（4）原料气必需净化的原因是。
(5)尾气中有SO2必须回收是为了。
高中化学 第2章 化学反应的方向、限度与速率 2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨课件2 鲁科版选修4
3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成 氨反应速率的影响：
催化剂对合成氨反应速率的影响
条件 无催化剂 使用Fe催化剂
△ E /KJ/mol K(催)/k(无) 335 3.4×1012(100k) 167
1、催化剂能降低反应的活化能、增大速率常数 2、使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万 亿倍。
适宜温度 700K左右 使用铁触媒作催化剂
浓度
氮气与氢气投料比：1:2.8
氨气及时分离，氮氢原料气循
环使用并不断补充。
K12课件
18
已知2SO2(g)+O2(g) 验数据见下表
2SO3 (g) △H＜0其实
(1)应选用的温度是______。
(2)应采用的压强是_________，理由是 ______________________。
高压 低温 无影响 增大浓度 减小浓度
K12课件
14
选择适宜生产条件的原则：
(1)既要注意外界条件对二者影响一致性, 又要注意对二者影响的矛盾性。 (2)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温度的限制。 (3)既要注意理论上的需要,又要注意实际 可能性。
K12课件
15
【交流·研讨】
研讨的内容
研讨的问题
1、既然增大压强既可提高反 应速率，又可提高氨的产量， 那么在合成氨工业中压强是否 越大越好？
压强怎么定？
2、既然降低温度有利于平衡 向生成氨的方向移动，那么 生产中是否温度越低越好？
温度怎 么选择？
3没要、不有催要影化使响剂用，对催在化化合学剂成平，氨衡为工的什业移么中动？K12课件要 催不 化要 剂用？
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
2020-2021学年高中化学 第二章 化学反应的方向、限度与速率 第4节 化学反应条件的优化—(
修4第4节化学反应条件的优化——工业合成氨1．了解合成氨反应的特点以及外部条件对合成氨反应的影响。
(重点)2．了解工业生产条件选择的依据和原则。
3．知道化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域的重要作用。
授课提示：对应学生用书第39页知识点一合成氨反应的限度1．反应原理合成氨反应的化学方程式为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0，ΔS<0。
2．影响因素(1)结合化学平衡移动规律可知，降低温度、增大压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
(2)在一定的温度和压强下，反应物中氮气和氢气的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
[自我诊断]在298 K时，合成氨反应的ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1，该温度下，合成氨反应能否自发进行？[提示] ΔG＝ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol－1＋298 K×0.198 2 kJ·K－1·mol－1＝－33.1 kJ·mol－1<0，故能自发进行。
知识点二外界因素对合成氨反应速率的影响1．浓度在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由关系式可知，增大N2或H2的浓度，降低NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。
2．温度温度越高，反应进行得越快。
3．催化剂加入适宜的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使化学反应速率提高上万亿倍。
修44．压强压强越大，反应速率越快。
[自我诊断](1)工业合成氨压强越高越好。
(×)(2)合成氨反应加入催化剂能增大产率。
(×)知识点三合成氨的适宜条件1．合成氨反应条件的选择依据工业生产中，必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
高中化学 第2章 化学反应的方向、限度与速率 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨学案 鲁科版选
第4节化学反应条件的优化—工业合成氨发展目标体系构建1.结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗的多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。
2.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题。
1．合成氨反应的限度(1)反应原理N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
(2)反应特点(3)影响因素①外界条件：降低温度、增大压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
②投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
微点拨：合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。
2．合成氨反应的速率(1)提高合成氨反应速率的方法(2)浓度与合成氨反应速率之间的关系在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知：增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
微点拨：温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。
3．合成氨生产的适宜条件(1)合成氨反应适宜条件分析工业生产中，必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
(2)合成氨的适宜条件序号影响因素选择条件1 温度反应温度控制在700_K左右2 物质的量N2、H2投料比1∶2.83 压强1×107～1×108 Pa4 催化剂选择铁做催化剂5 浓度使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2(3)合成氨的生产流程的三阶段1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。
高中化学第2章化学反应的方向、限度与速率第4节化学反应条件的优化-工业合成氨课件鲁科版选修4
3．温度 温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越 高 ，反应进行得越快。 4．压强 压强越大，反应进行得 越快。
教材整理 3 合成氨的适宜条件 1．合成氨反应条件的选择 工业生产中，必须从 反应速率 和 反应限度 两个角度选择合成氨的适 宜条件，既要考虑尽量增大反应物的 转化率 ，充分利用原料，又要选择较快 的反应速率，提高单位时间内的产量 ，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
度，减小生成物 及时地分离出生成
的浓度
物
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
催 化 剂
加合适的催 化剂
无影响
加合适的催化剂
温度 高温
ΔH<0 ΔH>0
压强
高压(有 气体参加)
Δvg <0 Δvg >0
低温 高温 高压 低压
兼顾速率和平衡， 考虑催化剂的适宜 温度
在设备条件允许的 前提下，尽量采取 高温并选取适宜的 催化剂
在设备条件允许的 前提下，尽量采取 高压
2．合成氨的适宜条件
反应 条件
压强
1×107～ 1×108Pa
温度 700 K左右
催化剂
浓度
使气态NH3变成液态 铁触媒 NH3并及时从平衡混
(铁) 合物中分离出去，及 时补充N2和H2
外 界 条 件
有利于加快 速率的条件 控制
有利于平衡移动 的条件控制
综合分析结果
浓 度
增大反应物 的浓度
增大反应物的浓 不断地补充反应物，
教材整理 2 合成氨反应的速率 1．浓度 在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为 v＝ k c(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由关系式可知， 增大 N2 或 H2 的浓度， 减小 NH3 的浓 度，都有利于提高合成氨的速率。 2．催化剂 使用催化剂，可显著降低反应的 活化能 ，使反应速率提高上万亿倍。
高中化学第2章化学反应的方向、限度与速率2.4化学反应条件的优化——工业合成氨课件13鲁科版选修4
3 、催化剂对化学平衡的移动 要不要用催化 没有影响， 在合成氨工业中 剂？
要不要使用催化剂，为什么？
1、压强怎么选？
分析：
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、压缩H2 和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实 际科学技术。
的方向移动，N2、H2体积比为_1_：__3_时平衡混 合物中氨的含量最高。
2）合成氨反应的速率
实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的 速率与反应的物质的浓度的关系为:
ν =κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)
①.增大N2、H2浓度，将氨及时从混合物中分离 出去
②.增大压强 ③.升高温度 ④.使用催化剂
增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小 生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡 的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3 时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2 的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更 能促进氨的合成。
实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却 液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使 其保持一定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1： 2.8
综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质 量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一 般选择在200～500大气压之间。
2、温度怎么选择？
分析：
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。
【总结】 合成氨的适宜条件
外部条件 压强 温度
高中化学第2章化学反应的方向限度与速率第4节化学反应条件的优化__工业合成氨课件鲁科版选择性必修
3.合成氨反应的限度 降低温度、增大压强将有利于合成氨反应的化学平衡向生成氨气的方向 移动,在一定温度和压强下,从化学平衡的角度分析,反应物氮气与氢气的 体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
【微思考】已知298 K时,N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.2 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1,请通过计算说明298 K时合成氨反 应能否自发进行?
变式训练2对于可逆反应3H2(g)+N2(g) 2NH3(g) ΔH<0,当反应达到平 衡后,为了使H2的转化率增大,下列选项中采用的三种方法都正确的是 () A.升高温度,降低压强,增加氮气 B.降低温度,增大压强,加入催化剂 C.升高温度,增大压强,增加氮气 D.降低温度,增大压强,分离出部分氨
答案B 解析合成氨工业中从合成塔出来的混合气体中NH3的含量较小,但由于分 离出NH3后,N2和H2可循环使用,所以总体来说氨的产率是较高的,则A项错 误,B项正确;合成氨工业的反应温度控制在700 K左右而不选择常温,是为 了加快反应速率,且催化剂在700 K时催化活性最高,C项错误;合成氨的反 应为气态物质系数减小的反应,增大压强主要是为了使平衡向正反应方向 移动,与催化剂活性无关,D项错误。
2.催化剂对反应速率的影响 加入适宜的催化剂可以改变反应的历程,降低反应的活化能,从而增大反应 速率。在其他条件相同的情况下,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高 上万亿倍。 3.温度 温度越高,合成氨反应进行得越快。
三、合成氨生产的适宜条件 1.合成氨反应条件的选择 工业生产中,必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件, 既要考虑尽量增大反应物的转化率,充分利用原料,又要选择较快的反应速 率,提高单位时间内的产量,同时还要考虑设备的要求和技术条件。
高中化学第2章化学反应的方向限度与速率2.4化学反应条件的优化
高中化学第2章化学反应的方向限度与速率2.4化学反应条件的优化2、4 化学反应条件的优化-工业合成氨【教材分析】普通高中课程标准实验教科书化学反应原理（鲁科版）第2 章第4 节“ 化学反应条件的优化工业合成氨” 的内容是前三节“ 化学反应的方向” 、“ 化学反应的限度” 、“ 化学反应的速率” 的延续，是对前三节知识的综合应用。
合成氨工业对化学工业、国防工业和我国实现农业现代化具有重要意义，是重要的化学工业之一；同时氮气、氢气合成氨反应也是一个学生熟悉的、典型的平衡体系。
本节以合成氨反应为研究对象，有利于学生应用化学平衡理论和化学反应速率理论尝试综合选择化工生产的适宜条件，从而体会化学理论的学习对生产实践的指导作用。
【学情分析】学生在前面的学习中，对化学平衡理论和化学反应速率理论有了一定程度的认识。
经过高中一年的训练，学生善于质疑、主动思考、积极获取知识的学习习惯已基本养成，参与意识、合作意识已有较明显提高。
他们正处于生理的高速发展期，认识能力和知识水平都达到了较高的层次，他们正经历着从习惯于感性思维、形象思维向更加关注理性思维、抽象思维的转轨期，所以在教学中注意引导学生分析、讨论，使他们的认识过程从直观的体验和想象上升到理性的思维阶段。
【设计思想】根据本节内容，先让学生就合成氨反应的热力学、动力学问题分别进行讨论，再综合考虑工业生产中的各种因素，对合成氨反应的适宜条件进行选择。
将本节的教学过程分为三个环节：分别利用学过的化学平衡和化学反应速率理论讨论合成氨的适宜条件；综合考虑合成氨生产中动力、设备、材料、生产效率等因素，寻找工业合成氨的优化生产条件；展望合成氨的发展前景，拓宽学生的视野。
在讨论时注意问题设置的难度，利用平衡移动原理对反应转化率的探讨只局限在定性分析的水平上，而对于化学反应速率的研究则从半定量的角度进行。
【教学目标】知识与技能：1了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；2了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；3通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。
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实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂 （铁触媒），它在500℃时活性最高。
K12课件
25
即使在500℃和30MPa时，合成氨平衡混
合物中NH3的体积分数也只有26.4%，转 化率仍不够大，还可采取什么办法？
0.1 NH3含 压强
量/% /MPa
温度
/℃200 15.3
10
81.5
20
86.4
30
89.9
ν =κ C(N2) C1.5(H2) C-1(NH3)
N2+3H2
2NH3（正反应放热）
K12课件
27
即使在500℃和30MPa时，合成氨平衡混
K12课件
12
氢氮比
K12课件
13
二、合成氨反应的速率
1、结合影响反应速率的因素， 思考什么条件 能使氨生成得快？
升高温度
增大压强
增大反应物浓度
使用催化剂
K12课件
14
讨论３：请同学们根据合成氨
的特点，从化学反应速率和化学
平衡两个角度来综合分析，合成
氨应采取什么反应条件？
K12课件
15
合成氨的反应
N2+3H2
2NH3 （正反应放热）
特点：
a、可逆反应
b、正反应放热
c、正反应是气体体积减小的反应
K12课件
11
达到平衡时平衡混合物中NH3的含量 （体积分数）[ V(N2):V(H2)=1:3 ]
NH3含 量/%
温度/℃
压强 /MPa
200
300
400 500 600
0.1 10 20 30 60 100
温
度 15.3 升81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
高
2.2 ，52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
氨
压强增大，氨的含量增大
0.4 的25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
含
0.1 量10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 降
0.05 低 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4
原料的利用率高 增大化学反应限度 单位时间内产率高 增大化学反应速率
另外还要考虑生产中的消耗能源、原料
来源、设备条件、环境保护等因素。
K12课件
8
提 高 综 合
原 单位时间里提高合成氨的产量
理 （从化学反应的速率考虑）
探 讨
提高平衡混合物中氨的含量
（从化学平衡的移动考虑）
经
济 效 益
实 际 论 证
17
★既然增大压强既可提高反应速率，又可 提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强 是否越大越好？
★既然降低温度有利于平衡向生成氨的方 向移动，那么生产中是否温度越低越好？
在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化 剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还 要使用呢？
K12课件
18
【交流·研讨】
研讨的内容
研讨的问题 学习小组
从生产成本、动力、材料、设备
等对上述理论探讨进一步论证， ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ得出合理的结论。
K12课件
9
一 、合成氨反应的限度
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？
２、请利用化学平衡移动的知识分析 什么条件有利于氨的合成？
K12课件
10
讨论2：请同学们写出合成氨的
化学反应方程式，并讨论说明这 个反应方程式有什么特点？
分析：
温度怎么选择？
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。
综合以上因素，实际生产中温度一般选择 在700K左右（主要考虑K1催2课件化剂的活性21 ）。
快找哈伯 来！！！
我要成 为百万 富翁啦！
啦！
德国皇帝
德国化学家 K12课件 弗里茨5·哈伯
1911
年到 1913年， 合成了 1000吨 液氨， 并且用 它制造 出3500 吨烈性 炸药 TNT
K12课件
6
K12课件
7
讨论1：假如你是一个工厂的厂长，
对工业生产你主要应考虑哪些问题？
经济效益和社会效益：
（正反应为 放热反应）
分析角度 使合成氨的速 使平衡混合物中
反应条件
率快
氨的含量高
压强
高压
高压
温度
高温
低温
催化剂
使用
K12课件
不影响
16
合成氨的反应
分析角度 反应条件
压强 温度 催化剂
使合成氨的速 率快
正反应为 放热反应
使平衡混合物 中氨的含量高
高压 一致 高压
高温 矛盾 低温
使用
不影响
K12课件
铁 触 媒 催 化 能 力
K12课件
22
用不用催化剂？
K12课件
23
催化剂对合成氨反应速率的影响
条件
△ E /KJ/mol K(催)/k(无)
无催化剂 使用Fe催化剂
335 3.4×1012(100k)
167
使用催化剂可使合成氨反应
的速率提高上万亿倍。
K12课件
24
用不用催化剂？ 分析:
经济效益和社会效益要求化学反应速度要 快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。
K12课件
19
⑤⑥
分析：
压强怎么选？
①合成氨反应是体积缩小的气体反应，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、压缩 H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合 实际科学技术。
综合以上两点，实际生产中压强一般 选择在200～500大气压K12课之件 间。 20
第2章 第四节
《 化学反应条件的优化 ——工业合成氨》
K12课件
1
回顾一段历史 氨(NH3)……
勒夏特列
能斯特 K12课件
2
理论计算： 高压条件下：
勒夏特列
爆炸
K12课件
3
理论计算：合成 氨是不能进行 的！！！
热力学数据
德国物理学家、
化学家能斯特
K12课件
4
1908年7月，哈 伯在实验室用N2和H2 在600℃，200个大 气压下合成出氨，产 率仅有2%
60 100
95.4 98.8
300 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600
0.05 4.5 K192课.件1
13.8 23.1 31.4 26
实验表明，在特定条件下，合 成氨反应的速率与反应的物质 的浓度的关系为
1、既然增大压强既可提高反 应速率，又可提高氨的产量， 那么在合成氨工业中压强是否 越大越好？
压强怎么定？
①②
2、既然降低温度有利于平衡
向生成氨的方向移动，那么生 温度怎么选择？ ③④
产中是否温度越低越好？
3、 催化剂对化学平衡的移动
没有影响， 在合成氨工业中 要不要催化剂？
要不要使用催化剂，为什么？