作为催化剂,经测定:工业上将温度定为450°C。在此条 件下，如果压强为0.1Mpa，SO2的转化率为97.5%，压
强为10Mpa时，SO2的转化率为99.3%。
请回答: （1）工业选择450°C的温度。原因是什么？ （2）增大压强对合成SO3是否有利？实际生产中是如何 选择压强的？为什么？
（3）生产中要用到过量的空气，为什么？
N2 +3H2
kf kf kr kr
2NH3
已知常温（298K）时:
ΔH= -92.2kJ· mol-1
能斯特（Nernst）， 德国物理化学家，获
ΔS = -198.2J· K-1· mol-1
1920年诺贝尔化学奖。
探究
N2 +3H2
kf kf kr kr
2NH3
已知常温（2Байду номын сангаас8K）时:
ΔH= -92.2kJ· mol-1
ΔH= -92.2 kJ· mol-1
ΔS = -198.2 J· K-1· mol-1
ΔH－TΔS ＝ -33.1 kJ· mol-1 K(298K) ＝ 4.1×106
哈伯经过重新计算，纠正了能斯特的错 误，指出常温时合成氨反应可以自发进行， 而且平衡常数很大，可以认为进行完全。
究竟是什么原因阻碍了合成氨反应的应用呢？
1. 反应物的转化率。当时硫酸生产中SO2氧化反应几乎 接近于100 %转化率，而哈伯法合成氨的产率只有8 %。 2. 反应速率。哈伯所找到的两种催化剂分别是锇和铀， 价格高昂，而近900K的高温，也大大增加了能耗成本。
任务2
如何提高反应物的平衡转化率？
反 应 特 点
①可逆反应 ②气体体积减小的反应 ③正反应是放热反应
影响反应物转化率的因素有哪些？ 如何增大反应物的平衡转化率？
N2 +3H2
kf kf kr kr
2NH3
ΔH= -92.2 kJ· mol-1
降低温度 增大压强
任务2
NH3% 0.6 0.5 0.4
如何提高反应物的平衡转化率？
观察下图，寻找合适的投料比。
N2与H2的投料比为1:3
0.3
0.2 0.1
实验研究表明，在一定条件下，合成氨反应的速率与反应 体系中各物质浓度的关系为:
v = kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)
请你根据反应的速率方程分析：各物质的浓度对 反应速率的影响是否相同？可以采取哪些措施来 提高反应速率？
增大 c(N2)、c (H2)；减小c(NH3)
气体浓度或压强越大，反应越快。反应体系的 压强是否越大越好？
反应的快慢
可以采取什么措施破坏N≡N ，加快合成氨的 反应速率？
升高温度
哈伯进行的试验表明，合成氨的温度必须在1000 ℃以上，
才能达到工业生产所要求的反应速率。你认为这可行吗？ 温度 K 25℃ 4×106 350℃ 1.847 400℃ 0.507 450℃ 0.152 600℃ 0.009 700℃ 2.6×10－3
高压对反应容器的材质有严格要求，过 高的压强会增大生产成本，得不偿失。
浓度（压强）与反应速率
实验研究表明，在一定条件下，合成氨反应的速率与反应 体系中各物质浓度的关系为:
v = kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)
有限的压强条件下， c(N2)、c(H2)如何分配，能 够更好地加快反应速率？
如何解决反应速率与转化率的
矛盾？降低反应活化能，提高反应速率还有其他
途径吗？
使用催化剂
无催化剂
能量
Ea
N 2 、H 2
Ea’
有催化剂 NH3 反应历程
[阅读资料]
哈伯在为了寻找高效稳定的催化剂，带领研究小组进 行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后 选定了贵金属锇作为催化剂，使合成氨的设想在1913年 成为工业现实。鉴于合成氨梦想的实现，瑞典皇家科学院 于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。
的催化剂？
低温高效的催化剂
德国化学工程专家博施，在哈伯成就的基础 上继续前进，找到了比锇更好的催化剂——铁 触媒，使得合成氨反应在700K左右便获得了较 高的反应速率。1913年，博施所在的巴登公司 在全世界第一个实现了合成氨的工业化生产。 博施也因此获得1931年诺贝尔化学奖。
博施（Carl lBosch）
化学反应 的限度
适 宜 的 合 成 氨 条 件
化学 动力学
化学反应 的速率
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。
资料:硫酸工业的重要步骤是SO2的氧化。此反应用V2O5
合成氨的工业生产，满足了20世 纪人口快速增长对粮食的需求，因此 人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的 圣人”。
虽然哈伯取得了巨大的成功，但人们并不是从此就 高枕无忧了。哈伯法的不足影响着生产的经济效益，使 合成氨的大规模工业化生产仍面临困难。
如何优化合成氨
的反应条件？
哈伯的实验室装置 合成氨工厂模型
1:1
1:2
1:3
1:4
1:5
1:6
N2:H2
任务2
如何提高反应物的平衡转化率？
低温高压
400 ℃ ，500atm
氨 的 体 积 分 数 （ ） 压强(atm)
温度(℃) N2与H2的投料比为1:3
%
任务3
如何加快合成氨的反应速率？
压强
温度
v
浓度
催化剂
任务3
如何加快合成氨的反应速率？
根据合成氨反应的特点，你认为应该选择怎样
N2 + O2 ====
放电
2NO
K(298K)=3.84×10－31 K(298K)=4.1×106
N2 +3H2
kf kf kr kr
2NH3
为什么不使用合成氨反应进行固氮？
任务1
探究合成氨反应的可能性
自18世纪以来，许多人致力于合成氨反应的研究，但都 无功而返。20世纪初，著名物理化学家能斯特经过计算得出 结论，认为合成氨的工业化难以实现，理由是合成氨反应很 难自发进行，反应体系中氨的含量很低。你认为呢？请像能 斯特一样，用计算结果说明自己的结论。
图④
N2在催化剂表面的吸附解离是最难的一步， 也是决定总反应速率的一步。
催化剂对合成氨反应速率的影响
条件 无催化剂 使用催化剂 Ea (kJ/mol) 335 167 k(催)/k(无)
3.4×1012 (700 K)
实验证明：700 K时铁触媒活性最大， 此时可使合成氨反应速率提高上万亿倍！
浓度（压强）与反应速率
氨 的 分 解 率 （ ） 温度(℃)
%
常压下不同温度时氨的分解率
任务5
外界条件 设计 氨 的 分 解 率 （ ） 温度
探究合成氨的逆反应
压强（浓度） 催化剂
600 ℃
常压
铁触媒
%
常压下不同温度时氨的分解率
温度(℃)
总结
化学反应 的方向 化学 热力学 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？
空气炼金术——合成氨
N2 +3H2
百年前的哈伯合成氨实验装置
2NH3
[阅读资料]
19世纪时，一些有远见的科学家就指出：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，成为一项受到众多科学家注 目和关切的重大课题。 当时最吸引人的设想有两种。比较两个反应，从工 业化生产的角度考虑，你认为哪一个更适合实现人工固 氮的工业化生产？
ΔS = -198.2J· K-1· mol-1
ΔH－TΔS
＝ -92.2kJ· mol-1 － 298K × （-198.2J· mol-1· K-1） ＝ -33.1kJ· mol-1
ΔH－TΔS ＜ 0
结论
常温时合成氨反应可以自发进行
探究
N2 +3H2
kf kf kr kr
2NH3
已知常温（298K）时:
N2 + O2 ==== N2 +3H2
kf kf kr kr
放电
2NO
K(298K)=3.84×10－31 K(298K)=4.1×106
2NH3
要实现工业化生产应该满足那些条件？
原料价廉易得 生产效率高 能耗低 对环境友好
当时人们选择的人工固氮方法主要是电弧法合成 NO ,效率很低,不能产生较大的经济效益。
合成氨反应是在催化剂表面进行的。 根据埃特尔的研究，这一过程主要经历了气体扩散、吸附、
断键解离、表面反应、脱附等步骤，可以简要表示如下。
BDCAE 。 请判断催化反应过程的正确顺序是_____________
图① A 图④
图① 图② B 图⑤
图② 图③ C
图③ 图④
图① 图③
D 图② 图④
E 图③ 图⑤
研究化学反应的工业化应用，除了
方向和限度，还有什么因素必须考虑？
反应的快慢
工业化生产应综合考虑反应物的转化率和反 应的速率，取得最佳效益。
推测影响合成氨反应速率的内因是什么？
氮气的稳定性，N≡N 很难断裂，反应所需 的活化能特别高。
研究化学反应的工业化应用，除了
方向和限度，还有什么因素必须考虑？
选择合适的温度：700K左右，该温度是为 合成氨催化剂的活性温度； 选择合适的压强: 1.0×107~1×108Pa，该压 强下进行生产，对动力、材料、设备等来说 正合适。 将氨气及时分离出来、循环操作过程