人教版高二化学选修4 化学平衡(4)-2PPT课件
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锇 少，550 ℃以上，失去活性。
有较高的催化活性。 铀
铁
价格低廉，较稳定，500 ℃ 左右具有较好的催化活性。
四、合成氨工业的未来 ▬▬从技术改进到原理探微
思考：人工固氮如此困难，试从氮气分子的结构分析 其本质原因是什么？
N≡N
化学键
E/(kJ/mol)
Cl－Cl 243
H－H 436
N≡N 945.8
1904年 1 020 ℃，0.1 MPa
以铁作催化剂 获得氨的浓度在 0.005%-0.012%之间
合成氨需要在高压条件，并不断 分离出氨，促进反应向合成氨方向进 行，完成了合成氨的基础开发工作。
1908年 17.5～20 MPa和
500～600℃ 锇作催化剂 得到6％的氨
哈伯合成氨实验所用的装置
增加反应 降低温度 增大压强 物浓度
催化剂
使用正催 化剂
无影响
对合成氨 反应的影 响
增大合成 氨的反应 速率
提高平衡 混合物中 氨的含量
浓度
外界条件 温度 压强
增加反应 物浓度 升高温度 增大压强
增加反应 降低温度 增大压强 物浓度
催化剂
使用正催 化剂
分析增大合 成氨的反应速率 与提高平衡混合 物中的氨的含量
② 人工固氮：合成氨等。
实验中发生爆炸，放弃了研究。
“我让合成氨的发现从我手边溜走 了，这是我科研生涯中最大的疏忽。”
[法]勒夏特列 理论上证实氮气和氢气 可以直接化合生成氨。
由于能斯特在物理化学领域的权 威性，人工合成氨的研究陷入低潮。
[德]能斯特 计算时误用了一个错误的热力学 数据，认为合成氨不能进行。
从结构化学角度出发，分析了氮 分子的异常惰性，以及加强氮分子络 合活化的结构问题，提出固氮酶活性 中心的结构模型。
卢嘉锡
指导模拟生物固氮研究，为我国 跻身世界前列做出了重要贡献。
问题：探究合成氨的逆反应
电子工业上经常通过氨的分解来制取纯净的氢气，用于仪
器元件的烧氢还原。请根据下图设计该反应的合理条件。
0.1 10 20 30 60 100
压强/MPa
不同温度下平衡时氨的百分含量随压强的变化示意图
100
80
氨 的 60
含 40 量
/% 20
0
400 ℃ 0.1 10 20 30 60 100
工业上采用的压强 为10～30 MPa。
压强/MPa
400 ℃下平衡时氨的百分含量随压强的变化示意图
2.温度
铁触媒
N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g)
基元反应: xFe + 1/2 N2 → FexN （1）第一阶段
FexN + 1/2 H2 → FexNH （2）
第
FexNH + 1/2 H2 → FexNH2（3）
二
FexNH2 + 1/2 H2 → FexNH3 （4）
阶 段
Fex NH3 → x Fe + NH3 （5）
无影响 所采取的措施是 否一致？
一致
矛盾
一致
可统一
二、合成氨工业的条件选择
▬▬从实验室到工业生产
要使氨生成得更快 （即提高单位时间内氨的产量） 合成氨 ——化学反应速率问题 条件选 择原则 要使氨生成得更多 （即提高混合物内氨的含量） ——化学平衡移动问题 任务二： 根据合成氨反应的相关数据及化学反应原理， 选择合成氨的条件。
常压下不同温度时氨的分解率
%
催化剂 铁触媒
练习
工业合成氨技术反应原理为
N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g) ΔH = - 92.4 kJ/mol
（1）T ℃ 时，在有催化剂、体积为1.0 L的恒容密闭容器中充入
3 mol H2、1 mol N2，10 min时反应达到平衡，测得c(NH3)
＝1.2 mol/L。
N2与H2的投料 比为1:3
实际N2与H2的 投料比为 1:2.8
0.1
1:1 1:2
1:3
1:4
1:5
1:6 n(N2)/n(H2)
问题3：如何加快合成氨的反应速率？
有一定的催化活性。
可在低温 、低压下操 作,稳定性好, 但稀有 和昂贵,目前工业生产 使用不多。
钯
钌 催wenku.baidu.com剂
具有高的催化活性，但太稀
氨120
的100
分 解 率 （
80 60 40 20
0
温度(℃)
）
450 500 550 600 650 700
常压下不同温度时氨的分解率
%
问题：探究合成氨的逆反应
外界条件 设计
温度 600 ℃
压强（浓度） 常压
氨120
的100
分 解 率 （
80 60 40 20
0
温度(℃)
）
450 500 550 600 650 700
问题1：工业合成氨技术改进的方向是什么？ 技术改进紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期, 改善经济性”的基本目标, 进一步集中在“大型化、低能 耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术 的研究开发。
问题2：如何提高反应物的平衡转化率？
NH3%
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
思考：观察下图，寻找合适的投料比。
100 MPa下氨的含量/%
0 200 300 400 500 600 温度/℃ 不同压强下平衡时氨的百分含量随温度的变化示意图
100
80
氨 的 60 含 量 40
/% 20
10 MPa下氨的含量/%
工业上采 用的温度 为400～ 500 ℃。
0 200 300 400 500 600 温度/℃ 10 MPa下平衡时氨的百分含量随温度的变化示意图
哈伯最初进行的试验表明，合成氨的温度必须在1 000 ℃ 以上，才能达到工业生产所要求的反应速率。结合下表分 析，你认为是否可行？
2.温度 100
80
氨 的 60 含 量 40
/% 20
0.1MPa下氨的含量/% 10 MPa下氨的含量/% 20 MPa下氨的含量/% 30 MPa下氨的含量/% 60 MPa下氨的含量/%
埃特尔发现了原有方法中化学反 应最慢的步骤，这一突破有利于更有 效地计算和控制人工固氮技术。
[德]格哈德·埃特尔 在表面化学作开创性研究，揭示 哈伯-博施法制氨气的机理。
2016年，中国科学院大连化学物理研究所研究团队合成了 一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350 ℃、 1 MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破。
3.催化剂
到达平衡时间
平衡时氨气 的含量
平衡时氮气 的含量
平衡时氢气 的含量
不加催化剂
1年
26.10%
18.50%
55.50%
外加催化剂 10分钟
26.11%
18.49%
55.60%
3.催化剂
合成氨工业中普遍使用的 主要是以铁为主体的多成分催 化剂，又称铁触媒。500℃时 活性最大。
资料卡片
合成氨反应在铁催化剂作用下通过下述几步进行：
不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量（体积分数）
氨的百分含量/% 温度/℃
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200
15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
5 2
4
6
8
10
增大H2的浓度可以提高N2的转化率，
n(H2)/n(N2)
但不能提高自身转化率。
（3）在其他条件相同时，右图为
N2
X1
分别测定不同压强、不同温度下， 平
衡
X2
N2的平衡转化率。
转
L表示__压__强__，其中X1__＜____ X2
（填“＞”或“＜”）。
化 率 /%
L
（4）目前科学家利用生物燃料电池原理（电池工作时 MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子），研究室温下合成氨并取 得初步成果，示意图如下：
博施实现了合成氨的工业化，所 以，这种合成氨的工业方法被称为 “哈伯一博施法”。
[德]卡尔·博施
测试了2 500种不同的催化剂，进行了6 500次试 验，终于研制出铁基催化剂，设计合成氨装置。
合成氨生产流程
原料气的制备
净化
压缩
(防止催化剂中毒)
N2、H2 合成
分离 液氨
三、合成氨工业的优化 ▬▬从工业生产到技术改进
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4
100
80
氨 的 60 含 40 量
/% 20
0
200 ℃ 300 ℃ 400 ℃ 500 ℃
600 ℃
3.催化剂
230～930 kJ/mol 无催化剂
E均
有催化剂
126 kJ/mol～167kJE/1mol
12.6 kJ/mol
1/2 N2 + 3/2 H2
E2
NH3
合成氨反应活化能示意图
4.浓度
将氨气液化后及时分离出来，所 得原料气（过量 N2、H2）循环使 用，并及时补充 N2、H2。
[德]弗里茨·哈伯
＝
25 12
2NH3(g) 0 1.2
1.2
（2） T ℃时，在有催化剂的恒 X 55
容密闭容器中充入N2和H2。右图为
的 45 平
不同投料比[n(H2)/n(N2)]时某反 衡 35
应物X的平衡转化率变化曲线。
① 反应物X是 N2 （填“N2”
或“H2”）。
② 判断依据是
。
转 化 25 率 15 /%
第二章 第三节 化学平衡（4）
高二年级 化学
主讲人 曹宇辉 北京市陈经纶中学
氮气转化为氨气的价值
N2
NH3
氮气转化为氨气的价值
20%
80%
化学肥料 其他产品
一、合成氨工业的产生 ▬▬从物质到反应
1. 氮的固定
把空气中游离态的氮转变为氮的化合物的方法，叫做氮的固定。 包括：
① 自然固氮：雷雨天产生 NO 气体、豆科植物固氮。
条件控制
物质组成、 性质和结构
化学反应速率
化学平衡
课后作业
查阅资料，自主学习制取硫酸的工业流程， 说明哪些方面涉及到化学反应速率及化学平衡 问题，并提出解决方案。
反应机理 微观解释
氨的合成 高温高压
卡尔·博施（德） 实现大规模工业生产
1784年
1909年
1901年
1912年
氨的组成为 氮和氢
哈伯（德国） 锇催化制氨，得6%氨
研究原理 指导实践
2007年
未来
格哈德·埃特尔 反应机制 微观解释
物质
反应
原理
课后小结
化学 实际问题
综合实际 进行评价
化学反应 内因 外因
相比传统工业合成氨，该方法 的优点有_______。
条件温和、生成氨的同时 释放电能。
[德]弗里茨·哈伯 奠定合成氨理论基 础，获1918年诺贝
尔化学奖
理论上可行 实验室中实现
[德]卡尔·博施 开发合成氨采用高 压方法，获1931年
诺贝尔化学奖
实现大规模 工业生产
[德]格哈德·埃特尔 铁催化剂表面活性 研究成果，获2007 年诺贝尔化学奖
① 前10 min的平均反应速率 v(H2)＝
② 化学平衡常数K＝
。
mol/(L·min )。
起始浓度 / mol/L
浓度变化 Δc / mol/L
N2(g) + 3H2(g)
1
3
0.6
1.8
10min末平衡浓度/ mol/L 0.4
1.2
v(H2) ＝ 0.18 mol/(L·min)
K＝
1.22 0.4×1.23
合成氨反应是可逆的 增压会合成氨 提高温度会使氨分解 温度过低会减慢反应速率 催化剂会对反应产生重要影响
[德]奥斯特瓦尔德
合成氨的关键在于实现温度、 压强和催化剂之间的平衡。
2. 合成氨原理
N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g) ΔH = - 92.4 kJ/mol
思考：此反应有什么特点？ 特点：
➢可逆反应
➢正反应为放热反应
➢正反应是气体体积缩小的反应
任务一：根据合成氨反应的特点，应如何选择外界条件，以增大合 成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？请填入下表。
对合成氨 反应的影 响
增大合成 氨的反应 速率
提高平衡 混合物中 氨的含量
浓度
外界条件 温度 压强
增加反应 物浓度 升高温度 增大压强
有较高的催化活性。 铀
铁
价格低廉，较稳定，500 ℃ 左右具有较好的催化活性。
四、合成氨工业的未来 ▬▬从技术改进到原理探微
思考：人工固氮如此困难，试从氮气分子的结构分析 其本质原因是什么？
N≡N
化学键
E/(kJ/mol)
Cl－Cl 243
H－H 436
N≡N 945.8
1904年 1 020 ℃，0.1 MPa
以铁作催化剂 获得氨的浓度在 0.005%-0.012%之间
合成氨需要在高压条件，并不断 分离出氨，促进反应向合成氨方向进 行，完成了合成氨的基础开发工作。
1908年 17.5～20 MPa和
500～600℃ 锇作催化剂 得到6％的氨
哈伯合成氨实验所用的装置
增加反应 降低温度 增大压强 物浓度
催化剂
使用正催 化剂
无影响
对合成氨 反应的影 响
增大合成 氨的反应 速率
提高平衡 混合物中 氨的含量
浓度
外界条件 温度 压强
增加反应 物浓度 升高温度 增大压强
增加反应 降低温度 增大压强 物浓度
催化剂
使用正催 化剂
分析增大合 成氨的反应速率 与提高平衡混合 物中的氨的含量
② 人工固氮：合成氨等。
实验中发生爆炸，放弃了研究。
“我让合成氨的发现从我手边溜走 了，这是我科研生涯中最大的疏忽。”
[法]勒夏特列 理论上证实氮气和氢气 可以直接化合生成氨。
由于能斯特在物理化学领域的权 威性，人工合成氨的研究陷入低潮。
[德]能斯特 计算时误用了一个错误的热力学 数据，认为合成氨不能进行。
从结构化学角度出发，分析了氮 分子的异常惰性，以及加强氮分子络 合活化的结构问题，提出固氮酶活性 中心的结构模型。
卢嘉锡
指导模拟生物固氮研究，为我国 跻身世界前列做出了重要贡献。
问题：探究合成氨的逆反应
电子工业上经常通过氨的分解来制取纯净的氢气，用于仪
器元件的烧氢还原。请根据下图设计该反应的合理条件。
0.1 10 20 30 60 100
压强/MPa
不同温度下平衡时氨的百分含量随压强的变化示意图
100
80
氨 的 60
含 40 量
/% 20
0
400 ℃ 0.1 10 20 30 60 100
工业上采用的压强 为10～30 MPa。
压强/MPa
400 ℃下平衡时氨的百分含量随压强的变化示意图
2.温度
铁触媒
N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g)
基元反应: xFe + 1/2 N2 → FexN （1）第一阶段
FexN + 1/2 H2 → FexNH （2）
第
FexNH + 1/2 H2 → FexNH2（3）
二
FexNH2 + 1/2 H2 → FexNH3 （4）
阶 段
Fex NH3 → x Fe + NH3 （5）
无影响 所采取的措施是 否一致？
一致
矛盾
一致
可统一
二、合成氨工业的条件选择
▬▬从实验室到工业生产
要使氨生成得更快 （即提高单位时间内氨的产量） 合成氨 ——化学反应速率问题 条件选 择原则 要使氨生成得更多 （即提高混合物内氨的含量） ——化学平衡移动问题 任务二： 根据合成氨反应的相关数据及化学反应原理， 选择合成氨的条件。
常压下不同温度时氨的分解率
%
催化剂 铁触媒
练习
工业合成氨技术反应原理为
N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g) ΔH = - 92.4 kJ/mol
（1）T ℃ 时，在有催化剂、体积为1.0 L的恒容密闭容器中充入
3 mol H2、1 mol N2，10 min时反应达到平衡，测得c(NH3)
＝1.2 mol/L。
N2与H2的投料 比为1:3
实际N2与H2的 投料比为 1:2.8
0.1
1:1 1:2
1:3
1:4
1:5
1:6 n(N2)/n(H2)
问题3：如何加快合成氨的反应速率？
有一定的催化活性。
可在低温 、低压下操 作,稳定性好, 但稀有 和昂贵,目前工业生产 使用不多。
钯
钌 催wenku.baidu.com剂
具有高的催化活性，但太稀
氨120
的100
分 解 率 （
80 60 40 20
0
温度(℃)
）
450 500 550 600 650 700
常压下不同温度时氨的分解率
%
问题：探究合成氨的逆反应
外界条件 设计
温度 600 ℃
压强（浓度） 常压
氨120
的100
分 解 率 （
80 60 40 20
0
温度(℃)
）
450 500 550 600 650 700
问题1：工业合成氨技术改进的方向是什么？ 技术改进紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期, 改善经济性”的基本目标, 进一步集中在“大型化、低能 耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术 的研究开发。
问题2：如何提高反应物的平衡转化率？
NH3%
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
思考：观察下图，寻找合适的投料比。
100 MPa下氨的含量/%
0 200 300 400 500 600 温度/℃ 不同压强下平衡时氨的百分含量随温度的变化示意图
100
80
氨 的 60 含 量 40
/% 20
10 MPa下氨的含量/%
工业上采 用的温度 为400～ 500 ℃。
0 200 300 400 500 600 温度/℃ 10 MPa下平衡时氨的百分含量随温度的变化示意图
哈伯最初进行的试验表明，合成氨的温度必须在1 000 ℃ 以上，才能达到工业生产所要求的反应速率。结合下表分 析，你认为是否可行？
2.温度 100
80
氨 的 60 含 量 40
/% 20
0.1MPa下氨的含量/% 10 MPa下氨的含量/% 20 MPa下氨的含量/% 30 MPa下氨的含量/% 60 MPa下氨的含量/%
埃特尔发现了原有方法中化学反 应最慢的步骤，这一突破有利于更有 效地计算和控制人工固氮技术。
[德]格哈德·埃特尔 在表面化学作开创性研究，揭示 哈伯-博施法制氨气的机理。
2016年，中国科学院大连化学物理研究所研究团队合成了 一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350 ℃、 1 MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破。
3.催化剂
到达平衡时间
平衡时氨气 的含量
平衡时氮气 的含量
平衡时氢气 的含量
不加催化剂
1年
26.10%
18.50%
55.50%
外加催化剂 10分钟
26.11%
18.49%
55.60%
3.催化剂
合成氨工业中普遍使用的 主要是以铁为主体的多成分催 化剂，又称铁触媒。500℃时 活性最大。
资料卡片
合成氨反应在铁催化剂作用下通过下述几步进行：
不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量（体积分数）
氨的百分含量/% 温度/℃
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200
15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
5 2
4
6
8
10
增大H2的浓度可以提高N2的转化率，
n(H2)/n(N2)
但不能提高自身转化率。
（3）在其他条件相同时，右图为
N2
X1
分别测定不同压强、不同温度下， 平
衡
X2
N2的平衡转化率。
转
L表示__压__强__，其中X1__＜____ X2
（填“＞”或“＜”）。
化 率 /%
L
（4）目前科学家利用生物燃料电池原理（电池工作时 MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子），研究室温下合成氨并取 得初步成果，示意图如下：
博施实现了合成氨的工业化，所 以，这种合成氨的工业方法被称为 “哈伯一博施法”。
[德]卡尔·博施
测试了2 500种不同的催化剂，进行了6 500次试 验，终于研制出铁基催化剂，设计合成氨装置。
合成氨生产流程
原料气的制备
净化
压缩
(防止催化剂中毒)
N2、H2 合成
分离 液氨
三、合成氨工业的优化 ▬▬从工业生产到技术改进
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4
100
80
氨 的 60 含 40 量
/% 20
0
200 ℃ 300 ℃ 400 ℃ 500 ℃
600 ℃
3.催化剂
230～930 kJ/mol 无催化剂
E均
有催化剂
126 kJ/mol～167kJE/1mol
12.6 kJ/mol
1/2 N2 + 3/2 H2
E2
NH3
合成氨反应活化能示意图
4.浓度
将氨气液化后及时分离出来，所 得原料气（过量 N2、H2）循环使 用，并及时补充 N2、H2。
[德]弗里茨·哈伯
＝
25 12
2NH3(g) 0 1.2
1.2
（2） T ℃时，在有催化剂的恒 X 55
容密闭容器中充入N2和H2。右图为
的 45 平
不同投料比[n(H2)/n(N2)]时某反 衡 35
应物X的平衡转化率变化曲线。
① 反应物X是 N2 （填“N2”
或“H2”）。
② 判断依据是
。
转 化 25 率 15 /%
第二章 第三节 化学平衡（4）
高二年级 化学
主讲人 曹宇辉 北京市陈经纶中学
氮气转化为氨气的价值
N2
NH3
氮气转化为氨气的价值
20%
80%
化学肥料 其他产品
一、合成氨工业的产生 ▬▬从物质到反应
1. 氮的固定
把空气中游离态的氮转变为氮的化合物的方法，叫做氮的固定。 包括：
① 自然固氮：雷雨天产生 NO 气体、豆科植物固氮。
条件控制
物质组成、 性质和结构
化学反应速率
化学平衡
课后作业
查阅资料，自主学习制取硫酸的工业流程， 说明哪些方面涉及到化学反应速率及化学平衡 问题，并提出解决方案。
反应机理 微观解释
氨的合成 高温高压
卡尔·博施（德） 实现大规模工业生产
1784年
1909年
1901年
1912年
氨的组成为 氮和氢
哈伯（德国） 锇催化制氨，得6%氨
研究原理 指导实践
2007年
未来
格哈德·埃特尔 反应机制 微观解释
物质
反应
原理
课后小结
化学 实际问题
综合实际 进行评价
化学反应 内因 外因
相比传统工业合成氨，该方法 的优点有_______。
条件温和、生成氨的同时 释放电能。
[德]弗里茨·哈伯 奠定合成氨理论基 础，获1918年诺贝
尔化学奖
理论上可行 实验室中实现
[德]卡尔·博施 开发合成氨采用高 压方法，获1931年
诺贝尔化学奖
实现大规模 工业生产
[德]格哈德·埃特尔 铁催化剂表面活性 研究成果，获2007 年诺贝尔化学奖
① 前10 min的平均反应速率 v(H2)＝
② 化学平衡常数K＝
。
mol/(L·min )。
起始浓度 / mol/L
浓度变化 Δc / mol/L
N2(g) + 3H2(g)
1
3
0.6
1.8
10min末平衡浓度/ mol/L 0.4
1.2
v(H2) ＝ 0.18 mol/(L·min)
K＝
1.22 0.4×1.23
合成氨反应是可逆的 增压会合成氨 提高温度会使氨分解 温度过低会减慢反应速率 催化剂会对反应产生重要影响
[德]奥斯特瓦尔德
合成氨的关键在于实现温度、 压强和催化剂之间的平衡。
2. 合成氨原理
N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g) ΔH = - 92.4 kJ/mol
思考：此反应有什么特点？ 特点：
➢可逆反应
➢正反应为放热反应
➢正反应是气体体积缩小的反应
任务一：根据合成氨反应的特点，应如何选择外界条件，以增大合 成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？请填入下表。
对合成氨 反应的影 响
增大合成 氨的反应 速率
提高平衡 混合物中 氨的含量
浓度
外界条件 温度 压强
增加反应 物浓度 升高温度 增大压强