合成氨工业-化学平衡原理的应用

第2讲化学平衡常数与化学平衡的计算工业合成氨资料工业合成氨是一种非常重要的化学反应，在工业生产中应用广泛。

该反应的平衡常数与化学平衡的计算是关键因素。

背景介绍：工业合成氨是通过氮气与氢气的气相反应，在高温高压条件下进行。

这个反应过程通常使用瑞士化学家哈柏和德国化学家卡尔·博丁提出的哈柏-博丁斯反应方程来描述：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)平衡常数的定义：平衡常数是指在给定反应体系的平衡状态下，反应物与生成物之间的浓度关系。

对于上述的合成氨反应，平衡常数Kc可以定义为：Kc=[NH3]^2/([N2][H2]³)化学平衡的计算：化学平衡的计算是为了确定反应体系在给定温度和压力下的反应物和生成物的浓度。

在工业合成氨的情况下，计算化学平衡可以用于优化反应条件和预测产物的浓度。

下面是一些计算化学平衡的步骤：1.设定初始条件：初始条件是指在反应开始时反应物和生成物的初始浓度。

通常情况下，初始浓度可以通过化学方程式和给定的反应物的摩尔数来确定。

2.确定变量：变量是指在化学平衡计算中需要确定的未知数。

在工业合成氨的情况下，通常需要确定的变量有平衡常数Kc，反应物和生成物的浓度，以及反应物的摩尔比。

3.编写平衡条件方程：平衡条件方程是根据化学方程式和给定的初始条件来确定反应体系的平衡条件。

在工业合成氨的情况下，平衡条件方程可以根据哈柏-博丁斯反应方程和初始浓度来编写。

4.解方程组：解方程组是为了确定反应物和生成物的浓度。

这可以通过求解平衡条件方程组来实现。

在工业合成氨的情况下，可以使用数值方法如牛顿迭代法来解方程组。

5.检验结果：检验结果是为了确定计算得到的平衡浓度是否符合实际情况。

可以通过与实验数据进行比较来检验结果，并进行必要的调整。

总结：工业合成氨的平衡常数与化学平衡的计算对于该反应的工业生产非常重要。

通过计算化学平衡可以优化反应条件，预测产物的浓度，并为工业反应的控制提供参考。

化学反应条件的优化—工业合成氨 编稿：宋杰 审稿：张灿丽【学习目标】1、能用平衡移动原理（勒夏特列原理）解释一些生活、生产问题；2、理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件；3、了解合成氨生产的适宜条件和工艺流程。

【要点梳理】要点一、合成氨反应原理和特点。

1、反应原理：N 2（g ）+3H 2（g ）,高温高压催化剂2NH 3（g ）。

2、反应特点。

①可逆反应；②正反应是放热反应；③正反应是气体体积缩小的反应；④氨很容易液化。

要点二、合成氨适宜条件的选择。

1、适宜生产条件选择的一般原则。

对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和转化率，故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率，如合成氨中氮气与氢气的配比为1∶2.8。

选择条件时既要考虑反应的快慢——反应速率越大越好，又要考虑反应进行的程度——使化学平衡尽可能向正反应方向移动，来提高氨在平衡混合物中的体积分数。

2、合成氨条件选择的依据。

运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。

[归纳] 合成氨的适宜条件： （1）温度：500℃左右；（2）压强：20 MPa ～30 MPa ；（3）催化剂：铁触媒（500℃时其活性最强）。

除此之外，还应及时将生成的氨分离出来，并不断地补充原料气（N 2和H 2），以有利于合成氨反应。

要点三、合成氨工业的简介。

合成氨工业的简要流程：合成氨生产示意图2-4-1：1、原料的制取氮气：将空气液化、蒸馏分离出氮气或者将空气中的氧气与碳作用生成CO 2，除去CO 2后得氮气。

氢气：用水和燃料（煤、焦炭、石油、天然气等）在高温下制取。

主要反应有： C+H 2O （g ）高温CO+H 2CO+H 2O （g ）∆催化剂CO 2+H 2CH 4+H 2O （g ）700C 900C︒︒催化剂CO+3H 22CH 4+O 2950C︒催化剂2CO+4H 22、制得的氮气和氢气需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。

化学平衡原理在工业的应用一、概述化学平衡原理是化学反应过程中，反应物和生成物浓度达到一定比例的状态。

在工业生产中，化学平衡原理被广泛应用于各类化学反应的控制和优化过程中。

本文将介绍几个化学平衡原理在工业领域的应用案例。

二、酸碱中和反应酸碱中和反应是化学平衡原理的一个重要应用。

在工业生产中，酸碱中和反应常用于调节溶液的酸碱度和稳定性。

以下是几个典型的酸碱中和反应应用案例：1.废水处理：工业废水中常常含有大量酸性或碱性物质，需要通过酸碱中和反应将其中和为中性，以达到环境排放标准。

2.锂电池制造：锂电池中的电解液常常需要调节酸碱度，以提高电池性能。

通过控制酸碱中和反应，可以优化电池的性能和循环寿命。

三、氧化还原反应氧化还原反应是化学平衡原理的另一个重要应用。

在工业领域，氧化还原反应常用于电池、金属制品表面处理等领域。

以下是几个氧化还原反应的应用案例：1.锌电池制造：锌电池通过控制锌和电解液中的氧化还原反应来释放电能。

通过优化反应条件和材料配比，可以改善电池的性能和循环寿命。

2.金属表面处理：工业制品表面常常需要进行氧化还原反应，以提高表面的耐腐蚀性和外观质量。

例如，通过钝化反应可以形成一层致密的氧化膜，保护金属表面免受环境侵蚀。

四、反应平衡控制反应平衡控制是化学平衡原理在工业中的核心应用之一。

通过控制反应物浓度、温度和压力等因素，可以调节反应平衡，提高产率和产品质量。

以下是几个反应平衡控制的应用案例：1.合成氨生产：合成氨生产是工业上的重要化学过程，该过程遵循哈-伯特律。

通过控制反应温度、压力和反应物浓度，可以优化氨的产率和反应速率。

2.硝酸生产：硝酸生产中的氧化反应是一个平衡反应。

通过控制反应物浓度和温度，可以提高硝酸的产率和质量。

五、催化剂的应用催化剂是化学平衡控制的重要手段。

在工业生产中，催化剂的应用可以降低反应的活化能，提高反应速率和产率。

以下是几个催化剂的应用案例：1.催化裂化：石油催化裂化是石油工业中的重要工艺，通过催化剂降低石油分子的活化能，使其在较低温度下发生裂解反应，产生高附加值的石油产品。

化学反应条件的优化――――工业合成氨[知识要点]：一、合成氨的化学平衡分析：工业合成氨是可逆反应：N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) 已知298K时△H=－92.2KJ·mol-1△S=－198.2 J·K―1·mol―1可知，该反应在298K时是一个能进行的反应，同时也是气体的物质的量的减反应。

[结论] 因此温度压强将有利于化学平衡向生成的方向移动，在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为时，平衡混合物的氨的含量最高。

二、合成氨的反应速率分析：特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度关系为v=kC (N2)C1.5(H2)C―1(NH3),可知，合成氨反应的速率与氨气浓度的次方成，在反应过程中，随着氨气的浓度的增大，反应速率会逐渐，因此为保持足够高的反应速率，应适时将从混和气中分离出来。

使用___________可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍，此外温度越高，反应速率。

[结论] 有利于提高合成氨反应速率的措施有：①提高反应温度②使用催化剂③适当提高氮氢比④适时分离反应产物氨三、提高合成氨反应的平衡转化率和反应速率的措施四、实际生产中采取的措施：目前，合成氨生产中一般选择作为催化剂。

控制反应温度在左右，根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致可分为（1×107Pa）、（2×107～3×108Pa）、(8.5×107~1×108Pa)三种类型，通常采用氮气与氢气物质的量之比为的投料比。

且氮气氢气循环使用。

目前的工艺条件下，合成氨厂出口气的氨含量一般为。

五、合成氨生产流程合成氨的整个工业生产包括造气、净化、合成氨三大部分氮气来自于空气，将空气，先得液态，气体为造气氢气来自于含氢的天然气，煤、炼油产品，反应可表示为净化目的氨的分离（方法将液化）合成氨氮气、氢气的循环使用反馈练习1、合成氨工业的生产中，应采取的适宜条件是（）A、高温高压B、适宜的温度，高压催化剂C、低温低压D、高温，高压催化剂2、在一定温度和压强下，合成氨反应达到平衡时，下列操作不会使平衡发生移动的是（）A、恒温恒压时充入氨气B、恒温恒容时充入氮气C、恒温恒容时充入氦气D、恒温恒压时充入氦气3、工业合成氨一般采用700K左右的温度，其原因是（）①适当提高氨的合成速率②提高氢气的转化率③提高氨的产率④催化剂在700K时活性最大A、①B、①②C、②③④D、①④4、在合成氨工业中，达到下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是（）A、为增加NH3的日厂量，不断将NH3分离出来B、为增加NH3的日产量，使用催化剂C、为增加NH3的日产量而采用1×107Pa～1×108Pa 的压强D、为增加NH3的日产量，采用700K左右的高温5、二氧化氮存在下列平衡：2NO2(g)N2O4(g)(正反应为放热反应)。

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：温度、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：N2或H2的浓度，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，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左右2 物质的量N2、H2投料比3 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“×”。

化学平衡原理的应用
化学平衡原理是指在化学反应中，反应物与生成物之间的物质浓度或者分压在一定条件下达到稳定状态的现象。

根据化学平衡原理，当一个化学体系从初始状态经过一系列反应达到一个平衡状态时，该平衡状态的各组分的浓度或者分压会保持不变。

化学平衡原理在许多实际应用中起到了重要作用。

下面将介绍其中几个常见的应用领域。

1. 酸碱中和反应：酸碱反应是化学平衡原理的一个常见应用。

在酸碱反应中，当酸与碱反应时，生成的盐和水会达到平衡状态。

根据化学平衡原理，当酸和碱的浓度或者分压达到平衡时，反应停止，生成物的浓度将保持稳定。

2. 溶解度平衡：溶解度平衡是指溶质在溶剂中的溶解度达到稳定状态的现象。

根据化学平衡原理，当溶质的溶解度达到平衡时，溶质的浓度将保持不变。

这一原理被广泛应用于化学实验室中，用于测定物质的溶解度以及从矿石中提取金属等。

3. 气相平衡：在气相平衡中，当气体之间发生反应时，反应物与生成物的分压会达到平衡。

这一原理被应用于工业生产中的化学反应，例如合成氨、硫酸等过程中的平衡控制。

4. 温度和压力的调节：根据化学平衡原理，改变温度和压力可以改变化学反应平衡位置。

通过调节温度和压力，可以控制反应物与生成物的浓度或者分压，进而影响化学反应的平衡位置。

这一原理被广泛应用于化工生产中的反应控制。

总之，化学平衡原理在许多化学反应和化学体系中都有重要的应用价值。

通过理解和应用平衡原理，可以更好地理解化学反应的本质，并且为实验和工业生产中的化学反应提供指导。

《工业合成氨》教学设计一、教学目标1、知识与技能目标（1）了解工业合成氨的反应原理、主要设备和工艺流程。

（2）理解温度、压强、浓度等条件对合成氨反应平衡和反应速率的影响。

（3）掌握化学平衡移动原理在工业合成氨中的应用。

2、过程与方法目标（1）通过对工业合成氨反应条件的分析和讨论，培养学生运用化学平衡移动原理解决实际问题的能力。

（2）通过对工业合成氨工艺流程的学习，培养学生的观察能力和分析归纳能力。

3、情感态度与价值观目标（1）感受化学科学对工业生产和社会发展的重要作用，激发学生学习化学的兴趣和热情。

（2）培养学生的创新意识和可持续发展观念，增强学生的社会责任感。

二、教学重难点1、教学重点（1）工业合成氨的反应原理和化学平衡移动原理的应用。

（2）温度、压强、浓度等条件对合成氨反应的影响。

2、教学难点（1）综合考虑各种因素，选择适宜的工业合成氨条件。

（2）理解工业合成氨工艺流程中的循环操作和能量利用。

三、教学方法讲授法、讨论法、实验探究法、多媒体辅助教学法四、教学过程1、导入新课通过展示农业生产中对氮肥的大量需求，引出合成氨工业的重要性，从而导入新课。

2、知识讲解（1）合成氨的反应原理讲解氮气和氢气在一定条件下反应生成氨气的化学方程式：N₂＋3H₂⇌ 2NH₃，并介绍该反应的特点：可逆反应、放热反应、气体体积减小的反应。

（2）化学平衡移动原理回顾化学平衡移动原理的内容，即勒夏特列原理：如果改变影响平衡的一个条件（如浓度、压强或温度等），平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。

（3）反应条件对合成氨的影响①温度从反应速率和化学平衡两个角度分析温度对合成氨反应的影响。

升高温度可以加快反应速率，但不利于化学平衡向生成氨气的方向移动；降低温度有利于化学平衡向生成氨气的方向移动，但会减慢反应速率。

综合考虑，工业上选择 500℃左右的温度。

②压强增大压强可以加快反应速率，同时使化学平衡向生成氨气的方向移动。

但过高的压强对设备要求高，成本增加。

化学平衡的应用化学平衡是指化学反应达到一种稳定状态，反应物与生成物的浓度或压力保持不变。

在化学平衡的条件下，各种反应物和生成物之间的比例关系保持不变，这种稳定状态对于各种化学反应具有重要的应用价值。

本文将介绍化学平衡的应用，并探讨其在不同领域中的重要性。

一、化学平衡在工业生产中的应用1. 合成氨反应合成氨反应是工业上的重要反应之一，它的反应物是氮气和氢气，生成物是氨气。

在该反应中，氮气和氢气在特定条件下经过催化剂的作用发生反应，生成氨气。

这个反应在化学平衡的条件下进行，可以控制反应物的浓度，使得反应达到平衡。

化学平衡的应用可以提高产量，减少副产物的生成，从而提高工业生产的效率。

2. 硝化反应硝化反应是将氨转化为硝酸盐的反应，广泛应用于农业生产中的肥料生产和水泥生产中。

在该反应中，氨气在适当的条件下与氧气发生反应，生成氮氧化物，进而与水反应生成硝酸盐。

化学平衡的应用可以控制氨气和氧气的浓度，使得硝化反应达到平衡状态，提高硝酸盐的产量。

3. 合成醋酸反应合成醋酸反应是将甲醇转化为醋酸的重要反应，广泛应用于化工行业中。

在该反应中，甲醇与一氧化碳在催化剂的作用下发生反应，生成醋酸。

通过控制反应条件，可以使得反应达到平衡，从而提高醋酸的产率和纯度。

二、化学平衡在环境保护中的应用1. 燃烧反应燃烧反应是指物质与氧气发生反应释放能量的过程，是一种常见的化学反应。

在环境保护中，控制燃烧反应的条件，使其达到平衡状态，可以减少有害气体的排放，降低空气污染。

2. 酸碱中和反应酸碱中和反应是指酸和碱反应生成盐和水的过程。

在环境保护中，通过控制反应条件，使得酸碱中和反应达到平衡，可以中和酸性废水和碱性废水，降低废水的污染程度。

三、化学平衡在生物学中的应用1. 呼吸作用呼吸作用是生物体中的一种重要代谢过程，通过呼吸作用产生能量，维持生物体正常的生命活动。

在呼吸作用中，通过调节氧气和二氧化碳的浓度，使得呼吸作用达到平衡状态，保持生物体内外环境的稳定。

第二节化学平衡（第六课时合成氨工业简介）【自研目标卡】【知识梳理】影响化学反应速率和化学平衡的重要因素：1．合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。

已知298 K时：ΔH＝－92.2 kJ·mol－1；ΔS＝－198.2 J·mol －1·K－1。

请根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行？ΔH小于0，放热利于正向。

ΔS小于0不利于正向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？3．利用条件对反应速率的影响分析。

(1)利用增大反应物浓度、增大压强、提高温度、使用催化剂来提高合成氨反应的速率。

(2)实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应中各物质浓度的关系为v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，根据关系式分析：①各物质的浓度对反应速率的影响是合成氨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。

②可以采取增大氮气和氢气浓度，将氨及时从混合气中分离出去的措施来提高反应速率。

(3)有、无催化剂对合成氨反应速率影响的对比：说明了使用正催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。

[小结1]使NH3生产得快和使3[例]1A．升高温度B．降低压强C．使用催化剂D．及时分离出氨气2．合成氨反应中，可以提高N2转化率的措施是(C)A．尽可能延长反应时间B．通入过量的N2C．通入过量的H2D．升高温度【探究二】合成氨的适宜条件1．压强：合成氨反应是正反应气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以加速反应，又能使正向移动，所以理论上压强越大越好。

但是压强越大，对设备要求越高、压缩氮气、氢气需要的动力越大，因此选择压强应符合实际科学技术。

2．温度：(1)因为正反应方向是放热的反应，所以低温有利于平衡正向移动。

(2)但是温度越低，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。

第四节化学反应条件的优化——工业合成氨学习目标：1、研究如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。

（重点难点）2、研究应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法。

教学过程：【复习回顾】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温度气体压强催化剂浓度【新知导学】一．合成氨反应的限度1.反应原理N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H= -92.2KJ·mol-1△S = -198.2J·K-1·mol-1 平衡常数K为4.1×10６（mol·L-1)-22．反应特点：①②③【交流·研讨】P65（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）结合以上特点，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．温度、压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为时平衡混合物中氨的含量最高。

二．合成氨反应的速率【交流·研讨】P66（1）你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？（2）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)请你根据关系式分析：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？（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：条件△ E /KJ/mol k(催)/k(无)无催化剂3353.4×1012(700k)使用Fe催化剂167【归纳】合成氨的适宜条件的选择：外界条件使NH3生产得快（速率分析）使NH3生产得多（限度分析）压强温度催化剂反应物的浓度生成物氨的浓度三．合成氨的适宜条件【交流·研讨】P67研讨的内容研讨的问题结论1、既然增大压强既可提高反应速率，又可压强怎么定？提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方温度怎么选择？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，在要不要用催化剂？合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？4、反应物、生成物浓度，比例？N2和H2的比例怎么定？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。