合成氨条件的选择
【知识讲解】
一,合成氨反应条件的选择原理:
1.选择根据: N2(g) 3H2(g) 2NH3(g) 92.4kJ,
反应特点:
①N2极不活泼,通常条件下反应难以进行.
②是一个气体体积缩小的反应.
③是一个放热反应.
2. 可供选择的条件:
反应条件 加快反应速率的措施 增大反应程度的措施
①浓度和压强 高压 高压
②温度 高温 降温
③催化剂 铁触媒 ____
④其它 ______ 及时分离出氨
3.选择条件时综合考虑的因素:
(1)高压:合成氨反应是有气体参加的反应,加压可加快反应速率 ;合成氨反应是气体体积缩小的反应,加压可促进平衡向正反应方向移动,提高N2和H2的转化率.从上表可看出只有高压既有利于加快速率,又利于增大反应程度,提高NH3的产率.但增压受到动力,设备耐压程度等的限制,结合实际生产条件,通常选择20M～50MPa气压.
(2)升温与恒温:
①因N2非常不活泼,必须在高温下才能与氢气发生反应,因此升温有利于加快反应速度 ; ②合成氨反应是放热反应,降温使平衡向正反应方向移动,有利于增大反应程度,因此,生产中必须使用热交换器,将反应放出的热量传出(如给原料预热等),使体系保持恒定的温度;③同时,由于催化剂铁触媒在500℃左右时才具有最大的催化活性.
因此,综合考虑各因素,合成氨反应选择500℃左右的温度.即需加热至500℃时开始反应;反应进行到一定程度时,放出热量会使体系温度升高,需及时将多余热量通过热交换器给原料气预热,以保持恒温.
(3)使用催化剂:催化剂只改变反应速率,不会影响平衡移动,不会影响产率,但使用催化剂可以使合成氨生产在较低温度下达到较高的速率,有利于N2,H2的转化,提高NH3的单位时间产量.因此催化剂解决了升温不利于获得较高N2,H2 转化率的矛盾.
掌握催化剂的如下特点:
①选择性:不同的反应选择不同的催化剂.如合成氨选择了铁触媒.每一种催化剂都是对特定的反应有催化作用,并非能改变任何反应的速率.不同的反应使用的催化剂一般是不同的.如有机反应醇→醛→酸的催化氧化,铜作催化剂只能催化第一步氧化反应,醋酸锰作催化剂只能催化第二步氧化反应.
②灵敏性:催化剂中混有杂质,常常会失去催化作用,称催化剂"中毒",因此合成氨反应气体进入反应器前必须净化.
③催化剂只有在活化温度时才能起催化作用,如铁触媒活化温度为500℃,因此该温度为合成氨的最适宜温度.
在实际生产中,还需要将生成的降温使氨气液化,及时从混合物中分离出来,以提高原料的利用率.并且不断向循环气中补充N2和H2,使其充分被利用,以提高反应物的浓度.
总结: N2 3H2 2NH3 △H= 92.4kJ
对比思考:(1)2SO2 O22SO3 ,△H<0,反应中为什么不采取加压的方法
答:此反应在常压下已达到很高的转化率(450℃,1大气压时SO2的转化率高达97.5%,450℃,100大气压时SO2的转化率仅为99.7%).故生产中不加压.
(2)为什么2SO2 O22SO3 反应中,工业上使用过量的空气 而合成氨工业生产中又不采用一种反应物过量
答:工业上常使价廉的原料过量来提高另一原料的利用率.空气过量能提高SO2的转化率.而合成氨的N2,H2原料的制备成本相近,故按体积比1:3配料.
二.合成氨生产的工艺流程
制气 → 净化除杂→ 压缩 →合成 →冷却分离→循环压缩
(1)原料气的制备:
N2:物理方法为将空气液化,蒸发分离出N2.由于分子量越大分子间作用力越大,空气中气体的沸点 N2<O2 1×10-7mol/L , PH 7, [OH-]越大PH值
越大,溶液碱性越强.
PH只适用于[H ]≤ 1mol/L或[OH-]≤ 1mol/L的稀溶液,即PH取值
范围为0 ~ 14,当[H ]> 1mol/L或[OH-]> 1mol/L, 反而不如直接用[H ]或[OH-]表示酸碱度方便.
【例题2】下列四种溶液中,由水电离生成的氢离子浓度之比为①:②:③:④是(A )
①PH=0的盐酸 ②0.1mol/L的盐酸
③0.01mol/L的NaOH 溶液 ④PH=11的NaOH溶液
(A)1:10:100:1000 (B)0:1:12:11 (C)14:13:12:11 (D)14:13:2:3
酸碱指示剂及PH值的测定:
常见酸碱指示剂及变色范围
指 示 剂
酸 碱 指 示 剂 变 色 范 围
石 蕊
8 蓝 色
酚 酞
10 无 色
测定溶液PH值的方法:(1)酸碱指示剂用于粗测溶液PH值范围;(2)PH试纸
用以精略地测定溶液酸碱性的强弱;(3)PH计用以精确地测定溶液的PH值.
注意:用PH试纸测定溶液的PH值,一般先把一小块放在表面皿或玻璃片上,用沾有待测液的玻璃棒点试纸的中部,不能把试纸放在待测液中,也不能用水湿润再测定PH值.
溶液PH值的计算:
常见的计算类型:
强酸,强碱溶液的稀释:
解题关键:对于强酸溶液的稀释,必须抓住[H ]变化;对于强碱溶液的稀
必须抓住[OH-]的变化.当稀释倍数很大时,需考虑水的电离.
稀释规律:①强酸PH=a,加水稀释10n倍,则稀释后PH=a n.②弱酸PH=a,
释10n倍,则稀释后PHb-n.
【例题3】当PH=11的氢氧化钠溶液稀释102,105倍时,计算稀释后溶液的PH值.
解析:根据稀释规律,当稀释102倍后,稀释后PH值PH=11-2=9.
但当稀释105倍后:PH=11-5=6,不可能.这时需考虑水的电离.
PH=11,[H ]=10-11,稀释后碱电离出的[OH-]浓度为:[OH-]==10-8mol/L
设稀释后溶液中[H ]浓度为x,则:H2O H OH-
x x 10-8
x·(x 10-8)= 1×10-14 解之x = 9.5×10-8 mol/L
所以 PH=-lg(9.5×10-8)=7.02
2,强酸与强酸,强碱与强碱溶液相混合.
解题关键:把各自溶液中的H 或OH-的物质的量相加除以混合后总体积,可得混合溶液的[H ]或[OH-],即可求出PH值.
【例题4】将PH=11的氢氧化钠溶液和PH=13的Ba(OH)2溶液等体积相混合,求混合后溶液的PH值.
解析:两种强碱溶液相混合后,溶液显碱性,应根据溶液PH值先求出混合后溶液的
[OH-]浓度,再换算为混合原溶液的[H ],求出PH值.
PH=11 NaOH溶液, [H ]=1×10-11,[OH-]=1×10-3mol/L
PH=13的Ba(OH)2溶液,[H ]=1×10-13,[OH-]=1×10-1mol/L
混合后溶液中[OH-]==5.05×10-2mol/L
混合后溶液中[H ]==1.98×10-13,即PH=-lg(1.98×10-13)=12.7
易出现错解:[H ]==5.05×10-12mol/L
PH=-lg(5.03×10-12)=11.3
混合规律:(1)PH=a和PH=b两强酸溶液等体积混合,若a-b≥2时,混合后PH值为:PH=b 0.3.
强酸和弱酸(或强碱和弱碱)的比较:
以相同体积相同PH值的强酸和一元弱酸为例比较:
溶液中H 的物质的量浓度相同.
强酸溶液的物质的量浓度小而一元弱酸物质的量浓度大.
与足量的金属锌反应,开始反应速率相等,反应一段时间后,弱酸反应速率大于强酸.上述反应后弱酸产生的H2量多.
稀释相同的倍数后,强酸溶液的PH值比弱酸大.
中和相同物质的量浓度的碱溶液,强酸需碱量比弱酸少.
【例题5】有两瓶PH=2的H2SO4和醋酸.现只有石蕊试液,酚酞试液,PH试纸和蒸馏水.
简述如何用最简便的实验方法来判断哪瓶是强酸.
分析:H2SO4是强酸,醋酸是弱酸,PH值相同的强酸和弱酸,加水稀释同样倍数,由于弱酸继续电离出H ,结果弱酸PH值一定小于强酸.因此用PH试纸检验.
答:取两支洁净的试管,各取等体积酸溶液用蒸馏水分别稀释100倍.然后用PH试纸分别测其PH值,PH值变化大的那瓶是硫酸.
