氨的合成

高中化学基于恒定标准焓和熵以及示意性弛豫动力学的理想气体等压氨平衡

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关于此实验

探索氨的平衡产率与达到平衡的速度之间的权衡。调整压力、温度和进料比，然后比较添加催化剂会改变什么、又会使什么保持不变。

学习目标

了解压力与氨合成过程中气体总摩尔数减少之间的关系。
区分平衡转化率与有限时间内的转化率。
区分催化剂对反应速率的影响与对平衡的影响。

使用方法

1运行默认反应器，并比较实际转化率与平衡转化率。
2在温度和进料比不变的情况下提高压力。
3降低温度，并比较平衡产率提高与达到平衡速度变慢这两种变化。
4添加催化剂，并验证有限时间内的产量增加更快，而平衡转化率保持不变。

模型

K_{p} = exp [- (Δ H^{\circ} - T Δ S^{\circ}) / (R T)]

平衡由焓和熵恒定的近似确定。

Q_{p} = \frac{y _{N H_{3}}^{2}}{y _{N_{2}} y _{H_{2}}^{3}} (P / P^{\circ})^{- 2}

平衡反应进度满足：在选定的总压下，反应商 Q p 等于平衡常数 K p。

ξ (t) = ξ_{eq} (1 - e^{- k t})

单独的弛豫模型用于说明有限时间内趋近平衡的过程，并不声称描述了详细的反应动力学。

假设

进料包含1摩尔N₂，以及按所选H₂与N₂比例加入的H₂，初始时不含氨。在理想气体模型中，压力保持恒定。
将标准焓视为恒定的 −92.22 千焦、熵视为恒定的 −198.75 焦/开尔文，可近似计算所写反应的平衡常数。此处忽略热容变化和气体的非理想性。
现象学指数弛豫模型会逐渐接近计算得到的平衡反应进度。阿伦尼乌斯速率尺度仅用于说明，催化剂会使其增大至八倍。
该装置不是工业反应器，也不是安全设计模型。分子样本用于说明组成；数值物料量严格守恒氮原子和氢原子。

在课堂上试试这个实验

Q1在这个理想气体模型中，为什么压力越高越有利于生成氨？
Q2为什么催化剂能提高有限时间内的转化率，却不改变平衡极限？

常见问题

显示的产率是精确的工业预测值吗？

不是。理想气体和热力学性质恒定的近似用于揭示趋势，并未考虑高压和热容的重要影响。

催化剂会改变热力学平衡常数吗？

不会。它只会改变用于说明的弛豫速率，不会改变计算得出的平衡反应程度。