师：今天我们复习化学反应方向和限度，先回顾合成氨的研究之路。1900 年，法国化学家勒夏特列通过平衡移动研究，算出氮气和氢气在高压下能合成氨，便进行实验验证，实验时发生爆炸，他未探究原因，就觉得危险而放弃。后来发现爆炸是混合气体中有氧气，氢气和氧气混合导致的。

　　1907 年，德国化学家能斯特通过理论计算得出氮气和氢气不能反应，使合成氨研究受阻。结果发现他用错一个热力学数据，导致计算错误。

　　尽管困难重重，哈伯没有放弃，1908 年 7 月在实验室，他用氮气和氢气在 600 摄氏度、200 个大气压的条件下合成了氨，虽产率只有 2% ，但这是重大突破。1918 年，哈伯因此获诺贝尔化学奖。1931 年，波施改进合成氨的催化剂和耐高压设备，也获得诺贝尔化学奖。2007 年，埃特尔发现哈伯 - 波施法合成氨的催化剂机理，获得诺贝尔化学奖。

　　合成氨研究历经百年，一个简单化学反应用于化工生产要考虑哪些问题呢？首先，合成氨反应能否自发进行；其次，怎样促使化学平衡向合成氨方向移动；最后，怎样提高合成氨的反应速率。

　　第一个问题，合成氨反应能否自发进行，涉及化学反应方向；第二个问题，促使化学平衡向合成氨方向移动，涉及化学反应限度，这两个属于化学热力学问题。第三个，提高合成氨反应速率，涉及化学反应速率，属于化学动力学问题。通过理论分析得到适宜合成氨条件，结合化学工艺学得出工业合成氨工艺流程。下面我们以合成氨工业条件选择为例，复习化学反应方向和限度。

　　先研究合成氨反应能否自发进行，化学反应能否自发进行受哪些因素影响呢？请同学们思考，一个反应能否自发进行，受焓变和熵变影响。那么合成氨反应的焓变和熵变如何呢？看这个反应方程式，这是一个正反应方向气体体积缩小的反应，所以熵变小于 0 。焓变呢？通过氢氢键、氮氮键、氮氢键的键能数据计算，该反应焓变为 - 92 千焦每摩尔，所以这是一个焓变小于 0 、熵变也小于 0 的化学反应。它能否自发进行？需通过吉布斯自由能判据考虑，如果吉布斯自由能小于 0 ，反应就能自发进行。查阅资料得该反应焓变和熵变数据，代入吉布斯自由能公式计算，得到该反应吉布斯自由能为 - 33.1 千焦每摩尔，小于 0 ，所以这个反应能自发进行。

　　为什么能自发进行的反应却难以发生呢？请同学们从反应物性质分析，这个反应反应物是氮气和氢气，氢气是还原性较强的活泼气体，而氮气化学键是氮三键，键能很大，化学性质很不活泼，导致反应难以发生。所以应用于工业生产，还需考虑第二、第三个问题。

　　先看第二个问题，怎样促使化学平衡向合成氨方向移动。工业生产中，要让氨气生产得多，需从平衡角度分析。怎样提高合成氨反应速率呢？工业生产中，要让氨气生产得快，需从速率角度分析。下面从速率和平衡两个角度，理论分析合成氨适宜条件。

　　速率因素方面，压强越大反应速率越快，要让氨气生产得快，需采取高压条件；温度越高反应速率越快，所以也要采取高温；催化剂对反应速率影响大，使用正催化剂可大大加快反应速率，所以必须使用催化剂；增大浓度可提高反应速率，要让氨气生产得快，可增大反应物浓度。

　　从平衡角度分析，如何让氨气生产得多。看反应特点，这是正反应气体体积缩小的反应，要让氨气生成得多，使平衡向正反应方向移动，从压强角度需增大压强，所以要采取高压条件。该反应是放热反应，要使平衡正向移动、氨气生产得多，应采取低温条件。催化剂对平衡移动无影响。增大反应物浓度或减小生成物浓度，都可使平衡向正反应方向移动，所以要让氨气生产得多，可增大反应物浓度或减小生成物浓度。

　　从理论分析看，温度因素从速率和平衡角度分析是矛盾的。实际工业生产中采取什么条件呢？通过数据来分析，这张图是原料气氮氢物质的量之比与平衡混合气中氨气百分含量的关系图。大家思考氮气和氢气采用怎样的比例，生成物中氨气含量最高？从图中可知，当氮气和氢气物质的量之比为 1 : 3 时，氨气百分含量最高。所以从平衡角度，氮气和氢气物质的量之比为 1 : 3 时平衡转化率最大。实验测定适当提高氮气浓度可增大氢气转化率，所以实际工业生产采用氮气和氢气物质的量之比为 1 : 2.8 的投料比，并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，保持一定浓度。

　　再看压强和温度的选择，从表格可知，压强不变时，温度越高，氨气含量越低；温度不变时，压强越大，氨气含量越高。实际工业生产中，压强越大对设备要求越高，压缩氮气和氢气需动力越大，成本越高。所以选择压强要符合实际科学技术，采用 20MPa 到 50MPa 的压强条件。

　　温度选择上，高速率和高转化率对温度选择矛盾，实际工业生产不能片面追求高转化率或高反应速率，应寻找较高反应速率获得适当转化率。所以采用 500 摄氏度，此温度下催化剂活性最高，转化率也适当。

　　工业生产是否使用催化剂呢？从表格数据看，采用催化剂可大大降低反应活化能，使用催化剂可使合成氨反应速率提高上万亿倍。所以实际工业生产用铁触媒做催化剂。

　　下面整理归纳工业合成氨适宜条件，压强采用 20MPa 到 50MPa 的高压；温度采用 500 摄氏度适宜温度；催化剂用铁触媒；浓度采用氮气和氢气物质的量之比为 1 : 2.8 的投料比，及时分离出液态氨，循环利用氮气和氢气，即增大反应物浓度、减小生成物浓度，使平衡向正反应方向移动，提高合成氨产率。

　　通过复习，我们对化学反应方向和限度有一定了解，下面看一道练习。

　　先看第一个问题，根据反应方程式写出该反应化学平衡常数表达式，k 等于氨气浓度的平方除以氮气浓度乘以氢气浓度的 3 次方。这个反应是正反应放热反应，温度升高，平衡向逆反应方向移动，氨气浓度减小，氮气和氢气浓度增大，所以 k 值减小。

　　再看第二个问题，化工生产条件选定的主要原因，通过前面分析，答案选 b 和 c 。

　　接着看第三个问题，右边是氨气百分含量变化趋势图，横坐标为压强时，压强增大，平衡向正反应方向移动，氨气百分含量逐渐增大，所以横坐标为压强时，变化趋势正确的是 b 。横坐标为温度时，该反应是正反应放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，氨气百分含量逐渐减小，所以横坐标为温度时，变化趋势正确的是 a 。