师：同学们大家好，欢迎收看空中课堂。本节课我们将利用之前所学化学平衡的建立、外部条件对化学平衡的影响以及化学反应进行方向等知识，探讨如何将其运用于化工生产中条件的选择，也就是对化学反应进行调控，使其朝着利于工业生产的方向进行。

　　生活中存在着各种各样的化学反应，我们可通过调控，让化学反应向着有利于人们生产生活的方向发展。比如为了灭火，我们可以采取隔离可燃物、隔绝空气或降低温度等措施；为了延长食物的储存时间，可以将它们保存在冰箱中。

　　接下来我们以工业合成氨生产条件的选择为例，研究化学反应的调控问题。这是298K时合成氨反应的数据和熵变数据。依据ΔH - TΔS的计算，我们发现合成氨反应确实有发生的可能性，这使我们后续的研究具有实际意义。

　　首先从理论层面上对合成氨反应的条件进行选择。从化学平衡角度分析，合成氨反应有什么特点呢？正反应放热，正反应分子数减小。那么如何通过选择化学反应条件提高氨的平衡转化率呢？可以结合勒夏特列原理，通过增大反应物的浓度、减少生成物的浓度来提高氨的平衡转化率。由于正反应放热，可以采用降低温度的方式；正反应分子数减小，可增大压强，而催化剂对提高氨的平衡转化率无影响。

　　下面我们结合实验验证理论分析。表一是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数据，以及起始反应物投料比与产物体积分数的关系。从数据图像分析可知，起始反应物氮气和氢气的投料比为1:3时，平衡体系中氨的体积分数最大。依据上表数据，我们描点绘图来完成图2和图3。我们选取400 - 500摄氏度时各压强下平衡体系中氨的含量数据，完成图2的标点绘图。从图像可知，在温度一定的情况下，增大压强可以提高平衡体系中氨的体积分数。我们选择10兆帕下各温度所对应的平衡体系中氨的含量数据，获得图3图像。从图像可知在压强一定的情况下，温度越高，氨平衡体积分数越小。

　　我们结合刚才所获得的三张图，分析如何选择反应条件，提高平衡混合物中氨的含量。从浓度角度看，我们选择起始投料氮气和氢气的比值为1:3。

　　结合图3温度变化对平衡体系中氨气体积分数的影响，我们应选择低温；结合图2，应选择增大压强来提高平衡体系中氨的体积分数。催化剂对平衡体系中氨的体积分数无主要影响，通过实验结果分析，与理论研究相符。

　　18世纪末有人就试图在常温常压下合成氨，也有人在常温加压下进行实验，但都失败了。合成氨难在哪里呢？常温下合成氨的反应速率很小，我们从化学反应速率来分析，合成氨反应速率慢是因为活化能高。如何降低反应的活化能呢？通过改变反应的历程。如何通过选择反应条件来增大合成反应的速率呢？从浓度角度看，增大反应物的浓度能够加快反应速率，还可选择升高温度、增大压强来加快反应速率。由于催化剂能够改变反应的历程，从而降低反应的活化能，加快反应速率，所以选择使用催化剂。

　　德国化学家哈伯在1908年在实验室中用氮气与氢气在600摄氏度和20个兆帕下得到了氨，说明我们刚才从化学平衡和化学反应速率两个层面上的分析是合理的，但是它的产率只有1%。对比表一中的数据，600摄氏度、20个兆帕下平衡体系中氨的含量为9.1%，如何解决呢？显然在600摄氏度、20个兆帕下反应速率依然很慢，所以我们必须选择适宜的催化剂来加快反应速率。

　　寻找工业合成氨的条件以实现工业生产，需要综合考虑成本。下面我们就几个问题来进行讨论。

　　第一，催化剂。从原理分析，即使在高温高压下，氮气和氢气的化合反应依然进行得十分缓慢，需选择催化剂。通常情况下，我们采用加入铁为主体的多成分催化剂，此催化剂在500摄氏度左右时活性最大。选择催化剂的理由是改变反应的历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应。另外，为了防止混有的杂质使催化剂中毒，原料气必须经过净化。

　　第二，温度。从原理分析，低温有利于提高原料的平衡转化率，高温有利于提高反应速率。选择条件时考虑到催化剂的活性因素，目前实际生产中一般选择400 - 500摄氏度的高温。不采用低温的理由是温度降低会使反应速率减小，达到平衡所需的时间变长，这在工业生产中是很不经济的。

　　从压强角度分析，从化学反应速率和化学平衡角度考虑，都是压强越大越好。实际生产中，我国合成氨厂一般采用的压强为10 - 30个兆帕，不选择更高压强的理由是什么呢？压强越大，对材料的强度和设备制造的要求就越高，需要的动力也越大，能耗高，这将大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。

　　最后从浓度角度看，原理分析告诉我们，即使是在500摄氏度和30个兆帕时，合成氨平衡混合物中氨气的体积分数也只有26%左右，平衡时氮气和氢的转化率仍然不够高。采取的措施是采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后，及时从平衡混合物中分离出去，将氨气分离后的原料气循环利用，并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度。采取该措施的理由是分离出氨气，以促进平衡向生成氨气的方向移动。此外，原料气的循环利用并及时补充原料气，可以提高原料的利用率，又可以提高反应速率，有利于合成反应。

　　结合问题的讨论，我们确定了工业合成氨适宜的条件。选择400 - 500摄氏度的温度，主要考虑到催化剂的活性问题；选择10 - 30兆帕的压强，主要考虑设备的承压能力和动力因素；选择铁触媒作为催化剂；从浓度看，要及时分离液氨，补充原料气并循环利用，此处氮气和氢气的起始投料比选择的是1:2.8，同学们思考一下为什么呢？氮气是通过空气分离得到，氢气则往往是通过水煤气反应获得。相比较而言，氮气廉价，故而提高廉价的氮气的物质的量，能够有效提高氨的转化率。