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课件鲁科版选修.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章,化学反应的方向、限度与速率,第四节 化学反应条件的优化,-,工业合成氨,【,学习,目标】,1,通过对实验数据的分析，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,通过,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,和优化,，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。,弗里茨,哈伯与合成氨,合成氨从第一次实验室研制到,工业化投产,经历了约,150,年的时间。德国科学家哈伯在,10,年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找,高效稳定,的催化剂，,2,年间,他们就进行了多达,6500,次,试验，测试了,2500,种不同的配方,，最后选定了一种合适的催化剂,-,铁，使合成氨的设想在,1913,年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于,1918,年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。,弗里茨,哈伯：,【,思考,】,1,、为什么要优化反应条件？,2,、优化考虑哪些,因素,的影响？如何最 优化？,实际条件的选择和理论有哪些同 异点？,化学热力学,化学动力学,化学反应的方向,化学反应的限度,化学反应的速率,合成氨反应能否自发进行,？,怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动,？,怎样能提高合成氨反应速率,？,适宜的合成氨条件,工艺流程,化学工艺学,高压对设备材质、,加工制造的要求、温度,的催化剂活性的影响等,1,、反应的可能性,2,、反应的限度,3,、反应的速度,4,、,工业的成本和安全性,【,课前检测,】,1.,课堂检测,（,2,）,2.,完成下表,.,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NH,3,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NH,3,生产得,多,高压,低温,无影响,增大浓度,减小浓度,预习后,存在的疑问,？,设疑自探,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,(P68),适宜温度,700K,左右,使用铁触媒作催化剂,N,2,和,H,2,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,预习后,存在的疑问,？,设疑自探,【,交流,研讨,】,合成氨反应是一个可逆反应,:,N,2,(g,)+3H,2,(g)2NH,3,(g),已知,298K,时,:H=-92.2KJmol,-1,S=-198.2JK,-1,mol,-1,Ea=335kJ mol,-1,请：,1.,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。,（,298K,下合成氨反应的平衡常数,K,为,.,（,molL,-1,),-2,书,P65,【,交流,研讨,】,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结合实验数据是否与理论分析一致？,书,P65,1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,NH,3,%,N,2,:H,2,1.298K,时合成氨反应能自发进行。,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；,N,2,、H,2,体积,比为,1：3时平衡混合物中氨的含量最高,。,小结（合成氨反应的方向和限度）,已知：,1,、合成氨反应的速率公式：,v=kc(N,2,)c,1.5,(H,2,)c,-1,(NH,3,),2,、催化剂对合成氨反应速率的影响,交流,研讨,怎样提高合成氨反应的速率？,条件,Ea/kJmol,-1,K,（催）,/k(,无）,无催化剂,335,3.4x10,12,（,700K,）,使用催化剂,167,1.,升高温,度,2.,增大压,强,3.,增大反应物浓度,4.,使用催化剂,5.,增大,N,2,H,2,浓度,将氨及时从混合气中分离出去,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高,上万亿,倍。,合成氨的适宜条件的选择,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NH,3,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NH,3,生产得,多,高压,低温,无影响,增大浓度,减小浓度,小结：,【,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？,3,、,催化剂对化学平衡的移动没有影响，,在合成氨工业中要,不要使用催化剂,，,为什么,？,温度怎么选择？,要不要用催化剂？,1,、压强怎么选？,分析：,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。,但是压强越大，对,设备,的要求高、压缩,H,2,和,N,2,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,:,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：,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。,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。,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,（主要考虑催化剂的活性）,。,3,、用不用催化剂？,实际生产中选用,铁,为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在,700K,时活性最高。,分析,:,经济效益,和,社会效益,要求化学反应速度要,快,，单位时间的产量要,高,。,4,、浓度怎么定？,N,2,和,H,2,的比例怎么定？,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,N,2,的浓度，即,N,2,和,H,2,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,N,2,和,H,2,的物质的量比为,1,：,2.8,（阅读书本,68,页）,外部条件,工业合成氨的适宜条件,压强,温度,催化剂,浓度,研讨的结果,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,N,2,和,H,2,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,】,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,：一般选择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。,【,小结,】,二、合成氨工业简介,(P,69,),1、,合成氨工业的流程,原料气的制取净化压缩合成分离液氨,N,2,H,2,原料气的制取,N,2,：液化空气，蒸发分离出氮气,H,2,：用水,(,含氢的天然气等）和燃料在高温下制取。如：,C+H,2,O（g）CO+H,2,，,CO+H,2,O（g）CO,2,+H,2,p,/Pa,T,/,1,10,5,5,10,5,1,10,6,5,10,6,1,10,7,450,97.5,98.9,99.2,99.6,99.7,550,85.6,92.9,94.9,97.7,98.3,(1),从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是,_,。,(2),实际生产中，选定,400,500 ,作为操作温度，其原因是,_,。,(3),实际生产中，采用的压强为常压，其原因是,_,。,(4),在生产中，通入过量空气的目的是,_,。,(5),尾气中有,SO,2,必须回收是为了,_,。,【,教学后记,】,1.,本节课为完整内容的一节课，,24,张幻灯片。（太多）但在先学后教，以学定教的情景下，以设疑自探为引导，对预习后存在的问题在,PPT,中以超级链接的方式做到以学定教。,2.,优点：以学定教，容量大效率高。,缺点,（,1,）,对部分预习不到位的同学是一个弱点，他们通过这节课学不到一系列连贯的知识和能力。（,2,）会不会消弱了过程中的分析研讨能力（比如：对,P66,图,2-4-3,表,2-4-1,的分析能力？）有待论证。,