? 一种气体
? 无色、有刺激性气味
? 可作制冷剂
? 现代人体内约 50%的氮最终来自于它
? 1918年， 1931年和 2007年诺贝尔化学奖
? 全世界年产量约 2.2 亿吨，年均销售额超过 1000 亿美元，是产量
第二大的化学品
? 生产它的过程中，年均消耗能源 3.5 亿吨，占全球能源供应总量
的 2%， 排 放 CO2超过 4 亿吨，占全球 CO2排放总量的 1.6%
有奖推断：这是哪种物质？
NH3
物质性质与物质转化的价值
—— 以氮肥的生产与使用为例
浙江省杭州第二中学 郦勇
任务一：合成氨反应的再思考
思考 1： N2很稳定的原因？除合成氨
外，它还能发生哪些反应？
结构 决定 性质
N2 + 3H2 2NH3
高温、高压
催化剂
N2+O2 ===== 2NO放电
点燃3Mg+N
2 === Mg3N2
原料廉价易得
或高温
有可能通过寻找合适的催
化剂 ，使该 反应在较低温
度下自发进行吗 ？为什么？
△ H= 180.4 kJ ?mol-1,
△ S= 24.77 J ?mol-1 ? K-1
化学反应原理：
I: 分析反应的方向
△ H － T△ S ﹤ 0
化学键 键能 （ k J /m o l）
N ≡N 941
C l- C l 247
H - H 436
类别、价态
思考 2： 合成氨条件的选择
化学反应原理：
I: 分析反应的方向
II：调节反应的限度
III：控制反应的速率
? 高温（ 450℃） 相对较高平衡转化率
反应速率
催化剂 活性
? 13~30MPa
O2（ g） + 2SO2（ g） 2SO3（ g）高温催化剂
K= 4.1× 106（ 25℃）
K= 3.8× 10-5（ 450℃）
K= 3.2× 106（ 400℃）
提高平衡转化率
加快反应速率
△ S= -198.6 J ?mol-1? K-1
△ H= -92.4 kJ ?mol-1
N2（ g） + 3H2 （ g） 2NH3 （ g）
催化剂
高温、高压
① 原料气，
13~30MPa图 2-22 合成氨的工艺流程
②加热温度
450℃左右
? 铁触媒（波施）
? 锇（哈伯）
④氨气的平衡体积分数约为 8%，
如何进一步提高产率？
③催化剂
为什么氨气最先液化？
沸点较高，分子间 存在 氢键
⑤热交换器的作用？
反应改进的关键？
思考 2： 合成氨条件的选择 化学反应原理：
IV：利用反应的能量
结构 决定 性质
任务二：构建认识 模型 —— 什么是化学？
物质性质
化学 ， 研究物质的 性质、组成、变 化规律及其 应 用 的科学
物质结构
决
定
物质网络
物质转化
反应原理
指
导
? 方向
? 限度
? 速率
? 能量
创造
价值
? 类别
? 价态
? 周期表
1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1976 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 201
1
2012 2013 2014 2015
100,000,000
90,000,000
80,000,000
70,000,000
60,000,000
50,000,000
40,000,000
30,000,000
20,000,000
10,000,000
50 Years
> 100
million
Organic &
inorganic
substances
CAS Registry since 1965
10 years
~ 3 Million
25 years
~ 10 Million
40 years
~ 25 Million
2019年 5月 8日，美国化学文摘社（ CAS）
注册了第 1.5亿 个化学物质， 2-氨基嘧啶
甲腈衍生物。它是 癌症和免疫疾病 （包
括类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、
狼疮肾炎）治疗过程中作为 TBK和 IKKε
抑制剂研究的几种具有前景的化合物之
一。
远超造物主边界的物质 网络
任务三：模型的 应用 —— 探索新转化
写出 CO2与 NH3合成尿素
[CO(NH2)2]的总反应方程式，
2NH3 (l)+CO2 (g)=====CO(NH2)2(l)+H2O(l)
7%的耕地、 22%的人口、 35%的尿素 (部分出口 )
放热 or吸热？
△ S <0, △ H<0 方向
氨基甲
酸铵冷
凝器
尿素
合成塔
—— 《 大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座 》NH
3、 CO2
2NH3(l)+CO2(g) H2NCOONH4(l) △ H=－ 117.2kJ·mol-1
H2NCOONH4(l) H2O(l)+CO(NH2)2 (l) △ H2=+21.7kJ·mol-1
140℃
14MPa
185℃
13.6MPa
保持较高平衡转化率的同时， 加快反应速率
提高 平衡转化率，加快反应速率
提高 平衡转化率，加快反应速率
防止反应 I逆向移动
反应热由热水带走 ，副产高温水蒸气，此压强下， CO2
平衡转化率接近 100%，但控制 流速，使 转化率约为 80%
没有换热装置，反应 II所需热量来自哪里？ 反应 I
（ I）
（ II）
尿素
合成塔
CO2汽
提塔
—— 《 大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座 》
经过尿素合成塔后，反应 I几乎完全，反应 II达平衡，转
化率 约为 60%， 如何进一步 提高原料利用率？
此条件下，反应 II的逆反应
速率 远小于 反应 I
105℃， 恒压（ 0.4MPa ） 下不断向混合液中通 入 CO2气
体 ，使 H2NCOONH4分解为 NH3 (g)和 CO2
氨基甲酸
铵冷凝器
CO2气体
H2NCOONH4(l) 2NH3(g)+CO2(g)
通入 CO2，为什么 H2NCOONH4仍能分解？
为什么尿素仍能大量存在？
得到的气体如何处理？
2NH3(l)+CO2(g) H2NCOONH4(l) △ H=－ 117.2kJ·mol-1（ I）
H2NCOONH4(l) H2O(l)+CO(NH2)2 (l)△ H2=+21.7kJ·mol-1（ II）
低压， CO2、
NH3浓度低于
平衡浓度
课后作业： 查阅 资料，
从 物质性质与化学反应
原理 的角度，分析用 尿
素溶液 处理柴油车尾气
的原理 ，判断 反应可能
需要的 条件 。了解 SCR
催化剂的组成和原理，
写一篇关于汽车尾气处
理的小报告
任务四：氮肥与 蓝天
N2+O2 ===== 2NO高温
NOX
NH3
SCR
（选择性 还原 催化剂）
还原性
在合适的时间，合适的地点，
用合适的条件，发生转化，
就有价值。
化学 ，让生活更美好 ！
N2
NH3NH3
CO(NH2)2
价值
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