l第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
2.4化学反应条件的优化—工业合成氨 -2021-2022学年高一化学鲁科版(2019)选择性必修一
思考：1.可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨的反应速率？
(1)温度： 升高温度 (2)压强： 增大压强 (3)浓度： 增大反应物浓度 (4)催化剂：使用催化剂
思考：2.实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参 与反应的物质浓度的关系式为： v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3) 根据该关系式分析：式中各物质的浓度对反应速率有哪些影响？ 可以采取哪些措施来调高反应速率？
氨的合成反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气
浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。
三、合成氨生产的适宜条件
合成氨条件的选择
提高反应限度
高压 低温 V(N2):V(H2)=1:3
高压
提高反应速率 高温 催化剂 V(N2):V(H2)=1:2.8
思考：那么实际生产中合成氨的适宜条件如何选择呢？ 问题1：压强怎么选？ 问题2：温度怎么选？ 问题3：要不要用催化剂？ 问题4：浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
一、合成氨反应的限度
交流·研讨
工业合成氨的反应为：N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
1.已知在298K时：ΔH=-92.2 kJ·mol-1, ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1
根据反应的焓变和熵变分析在298K时合成氨反应能否正向自发 进行。
2.利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？
小结：
合 成 氨 适 宜 条 件
化学反应条件的优化——工业合成氨
理论采用：
实际采用：
高转化率和高速率所用条件矛盾
700K
在700K条件下，催化剂活性最高； 转化率也适当。
【小结】
多 快
外界条件
平衡移动 浓度 N2:H2 NH3 1:3 及时转移 低温 高压 反应速率 <1:3 高温 高压
选择
1：2.8 ？ 700K 高压
及时转移 及时转移
温度 压强
催化剂
无影响
正催化剂 正催化剂
【思考】 工业合成氨是否压强越高越好？
理论采用：
压强越大越好
NH3 含量/% 温度/0C
压强 /Mpa
P1
0.1
P2
10
P3
20
P4
30
P5
60
P6
100
200 300 400 500 600
15.3 81.5 2.2 0.4 0.1 52.0 25.1 10.6
86.4 64.2 38.2 19.1
保护环境，对设备的要求。
【思考】 合成氨反应有什么特点？
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) △H= -92.2KJ· mol-1
可逆反应； 正反应是放热反应； 正反应是熵减的反应； 反应物和生成物均为气体； 正反应为气体分子数减小的反应。
【交流· 研讨】~ 多
NH3% 根据此反应特点分析，什么条件有利于合成氨？ 0.6 外界条件 0.5 增大NH3的含量 化学平衡角度
【总结】 工业上利用某可逆反应生产产品条件选择： 一般要使用催化剂：这样可以大大加快化 学反应速率，提高生产效率，也提高了经济 效益； 选择合适的温度：该温度是催化剂活性最 大的温度； 选择合适的压强：既要考虑化学反应速率 和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
0.2
0.1 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 N2:H2
【信息3】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。
2、有利于氨的合成
【交流· 研讨2】 1、实验研究表明：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) 请根据该关系式分析：各物质的浓度对反 应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来 提高反应速率？
增大反应物的浓度，减小生成物氨气的浓度。
第4节 化学反应条件的优化
——工业合成氨
【阅读资料】
19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，在20世纪初成为一项受到众多科学家注目 和关切的重大课题。德国化学家哈伯就是从事合 成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一, 他终于在1913年实现了合成氨的工业生产，满足 了20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求，因 此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人”。
工业生产时主要考虑的因素？
（1）要使氨生成得更多（即提高平衡混合物里氨的含量）
——化学反应的限度问题
（2）要使氨生成得更快（即提高单位时间里氨的产量）
——化学反应速率问题
（3）尽可能降低成本（如温度越高，压强越大，成本投 入越多。）
（4）符合绿色化学理念， 即注意环境保护，反应物利用率尽可能高，排 出物污染小。
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
弗里茨·哈伯
利用氮气、氢气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150年的时间。
反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看起来十分简单，为
什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨
工厂为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？
应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？
化学反应的 方向
合成氨反应 能否自发进 行
化学工艺学
化学反应的 限度
怎样能使化 学平衡向合 成氨方向移 动
适 宜 的 合 成 氨 条 件
工 艺 流 程
化学反应的 速率
怎样能提 高合成氨 反应速率
高压对设备材质、加工 制造的要求、温度对催 化剂活性的影响等
【思考与交流】
3×107 Pa
6×107 1×108 Pa Pa
200 ℃
300 ℃ 400 ℃ 500 ℃ 600 ℃
15.3
2.2 0.4 0.1 0.05
81.5
52.0 25.1 10.6 4.5
86.4
64.2 38.2 19.1 9.1
89.9
71.0 47.0 26.4 13.8
95.4
84.2 65.2 42.2 23.1
考虑催化剂的活性
压强是否越大越好？
考虑设备的耐压能力
【研讨结果】
外部条件 压强
温度 催化剂 浓度
工业合成氨的适宜条件
2×107～5×107 Pa 适宜温度（500℃左右） 催化剂活性大 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
高二化学学案 第4节化学反应条件的优化——工业合成氨 课前案
高二化学学案第4节化学反应条件的优化——工业合成氨课前案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。
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)2．影响因素(1)结合化学平衡移动规律可知，温度、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？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，N2或H2的浓度，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合成氨反应的活化能，使化学反应速率提高上万亿倍。
4．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。
()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，必须从和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。
提高反应的平衡转化率提高化学反应速率性质措施性质措施放热低温活化能高适当提高N2的比例分子数减小高压低温时反应速率低高温反应可逆原料循环使用原料气浓度增加能提高反应速率增大原料气浓度氨气浓度增加能降低反应速率 分离氨2.实际生产中合成氨的适宜条件(1)压强：加压有利于提高反应速率和原料的转化率，但要考虑设备和技术条件等，实际选择压强为1×107Pa ～1×108Pa 。
第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨
产率 ④催化剂在700 K时活性最大
A．只有①
B．①②
C．②③④
D．①④
解析 从反应速率考虑，温度越高，速率越快；温度在700
自主探究
精要解读
实验探究
活页规范训练
3．浓度 理论上n(N2)∶n(H2)＝1∶3时，平衡转化率最高，但实验 表明当n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8时更有利于氨的合成。工业上通常 采用1∶2.8的比例投料，并且及时的分离出NH3，促使平衡正向 移动。
4．催化剂 催化剂不影响化学平衡，但能极大的加快反应速率，工业
实验探究
活页规范训练
笃学一合成氨反应的限度
1.合成氨的化学方程式
高温、高压
N2(g)＋3H2(g) 催化剂 2NH3(g)
。
2．合成氨反应的特点
(1)所有的反应物和生成物都是气态，且该反应为 体积
减小
的反应；
(2)气体的物质的量减小 的熵 减小 的反应；
(3)该反应的正反应为 放热 反应。
3．合成氨反应是一个放热的、熵 减小 的可逆反应。由
第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨
1．浓度、温度、压强和催化剂对化学反应速率各有什么 影响？
提示 增大浓度、升高温度、增大有气体参与反应的压强 和使用催化剂能加快反应速率；减小浓度、降低温度和压强能 减慢反应速率。
自主探究
精要解读
实验探究
活页规范训练
2．浓度、温度、压强对化学平衡的移动各有什么影响？ 提示 (1)浓度：增大反应物浓度，平衡向正反应方向移 动；增大生成物浓度，平衡向逆反应方向移动。 (2)压强：对于有气体参加或有气体生成的反应来说，增大 压强，平衡向气体体积减小的方向移动。减小压强，平衡向气 体体积增大的方向移动。 (3)温度：升高温度平衡向着吸热反应方向移动，降低温度 平衡向着放热反应方向移动。
化学反应条件的优化---工业合成氨
书P65
2NH3(g)
合成氨反应的特点： 合成氨反应的特点：
N2(g)+3H2(g) (1体积 (3体积 体积) 体积) 体积 体积 2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol (2体积 体积) 体积
198.2J·K mol mol△S = -198.2J K-1·mol-1
①可逆反应 ②熵减小的反应 正反应气态物质系数减小 ③正反应气态物质系数减小 ④正反应是放热反应
工业上利用某可逆反应生产产品： 工业上利用某可逆反应生产产品： 一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学 一般要使用催化剂： 使用催化剂 反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 选择合适的温度： 选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大 合适的温度 的温度； 的温度； 选择合适的压强： 选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和 合适的压强 化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。 化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。
的比例怎么定？ 4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？ 浓度怎么定？
（阅读书本67页） 阅读书本 页
增大反应物的浓度可以增大反应速率， 增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小 反应物的浓度可以增大反应速率 生成物的浓度可以使平衡正向移动。 正向移动 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 的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3 平衡转化率最大 但是实验测得适当提高N 转化率最大， 实验测得适当提高 时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的 浓度， 的物质的量比为1 2.8时 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。 进氨的合成。 实际生产中的处理方法： 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， 出去； 循环利用 液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使 的物质的量比为1 其保持一定的浓度。 其保持一定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1：2.8
高中化学：2.4 化学反应条件的优化—工业合成氨(完成)
第4节化学反应条件的优化—工业合成氨(1)合成氨反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减小的可逆反应。
(2)降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
(3)在一定的温度和压强下，反应物中N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
(4)合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)在298 K时ΔH－TΔS＜0，其平衡常数K＝4.1×106(mol·L －1)－2，只能说明反应在此条件下进行得较完全，不能说明反应速率的快慢。
1．利用原料气在合成塔中合成氨时，为提高N2的转化率所采取的措施是( )A．高温 B．高压 C．使用催化剂D．增大N2的浓度(1)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)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。
(3)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。
2．在一定条件下，合成氨反应的速率与各物质的浓度关系为v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，下列条件不能加快反应速率的是( )A．加入催化剂B．增大H2的浓度 C．升高温度D．增大NH3的浓度1．合成氨反应条件的选择原则(1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料；(2)选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量；(3)考虑设备和技术条件。
2．合成氨反应的适宜条件(1)压强：压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压和高压三种类型。
(2)温度：温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在700 K 左右(且在此温度时催化剂的活性最大)。
(3)催化剂：使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择铁做催化剂。
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例已知2SO2(g)+O2(g)
其实验数据见表
2SO3 (g) △H＜0
450℃ (1) 应选用的温度是______。 常压 因为常压下SO (2)应采用的压强是______，理由是___________ 2 的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率 __________________________________________ 提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。 _______________________________________
2、氨的合成反应，生产中采用的适 宜条件是（ D ）。 A、低温、高压、适当的催化剂 B、高温、常压
C、尽可能高温、高压
D、适当的温度、适当的高压、适宜 催化剂
3．在合成氨工业中，为增加NH3的日产 量，下列变化过程不能使平衡向右移动 的是（ BC ） （A）不断将NH3分离出来 （B）使用催化剂 （C）采用700K左右的高温 （D）采用2×107～5×107Pa的压强
第4节 化学反应条件的优化
Hale Waihona Puke 习温度影响化学反应速率和化学平衡 的重要因素有哪些?
化学反应速率 化学平衡
升高温度,平衡向吸 温度越高,反应速 热方向移动 率越大 气体压强 压强越大,反应速 增大压强,平衡向气态物 率越大 质系数减小的方向移动 催化剂 正催化剂加快反应 催化剂对平衡无影响 速率 浓度 反应物浓度越大,反 增大反应物浓度,平 衡正向移动 应速率越大
5、 工业上用以合成氨的原料之一——氢 气，有一种来源是取自石油气。有人设计 了以下反应途径，假设反应都能进行，你 认为最合理的是（ C ） 高温 A. C3H8 3C+4H2 高温脱氢 B. C3H8 C3H6+H2 C. C3H8+3H2O 催化剂 3CO+7H2 D. C3H8+5O2 3CO2+4H2O 电解 2H2O === 2H2+O2
4、在合成氨反应中，入口气体体积比 N2:H2:NH3 为6:18:1，出口气体体积比 25% 为 9:27:8，则H2的转化率为________
N2+3H2 2NH3 起始 6 18 1 变化 X 3X 2X 平衡 6-X 18-3X 1+2X (6-X) : (1+2X)=9:8 X=1.5 1.5×3 H2转化率= 18 ×100%=25%
课堂练习
1、关于氨的合成工业的下列说法正确的是 （ B） (A)从合成塔出来的气体，其中氨一般占 15%，所以生产氨的工业的效率都很低 (B)由于NH3易液化，N2、H2可循环使用， 则总的说来氨的产率很高 (C)合成氨工业的反应温度控制在500 ℃左 右，目的是使平衡向正反应方向进行 (D)合成氨工业采用20 MPa ---- 50MPa ， 是因该条件下催化剂的活性最好
交流· 研讨（P65） 分析：合成氨的反应特点
N2 (g) +3H2 (g)
△H =-92.2kj.mol-1
2NH3 (g)
△S=-198.2j.K-1. mol-1 可逆 _____反应 反 应 放热 正反应为_____反应 特 减小 点 正反应为气体体积_____的反应
思 考
请同学们根据合成氨反应的特点，从 影响化学平衡移动的因素和影响化学反应 速率的因素，分析什么条件有利于提高氨 的产率？
3、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？
2、请你尝试为合成氨选择适宜条件
合 成 氨 适 宜 条 件
铁触媒 催化剂____________ 700K左右 温度____________
根据设备动力选择压强 7~ 1×108Pa ________________ 1×10 N2、H2投料比______ 1:2.8 氨气 及时分离________
三、合成氨的适宜条件
1、请填写下表
外界条件 压强
使NH3生产多
平衡分析
使NH3生产快
速率分析
温度
催化剂 反应物的浓度 生成氨的浓度
高压 低温 无影响 增大浓度 减小浓度
高压 高温 使用
增大浓度 减小浓度
讨论：
1、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？ 2、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？