Công nghiệp tổng hợp Ammonia — Mô phỏng 3D Tương tác (Hóa học THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Làm thế nào để biến khí nitrogen trong không khí thành ammonia vừa nhanh, vừa nhiều, lại vừa tiết kiệm?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Hóa học 11 — SGK GDPT 2018 Chương 2 «Nitrogen và hợp chất» → Chương 1 «Cân bằng hóa học & Điều khiển phản ứng hóa học»
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (7 bước)
- Bước 1 (Vì sao phải xây nhà máy): Trong không khí đâu đâu cũng có khí nitrogen, tại sao phải xây cả một nhà máy lớn như vậy mới biến nó thành ammonia? — Kết luận: Phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, số phân tử khí giảm: cần đồng thời đảm bảo cả «nhanh» và «nhiều», nên phải chia thành 5 công đoạn (xem thanh điều hướng bên dưới). |
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) - Bước 2 (Vì sao phải tinh chế): Tại sao việc đầu tiên là phải làm sạch khí nguyên liệu? — Kết luận: Tạp chất chứa lưu huỳnh trong khí nguyên liệu sẽ làm ngộ độc xúc tác Fe, có loại ngộ độc không thuận nghịch; vì vậy phải khử lưu huỳnh, chuyển hóa CO và tách CO₂ trước |
CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) - Bước 3 (Vì sao phải tăng áp): Tại sao phải nén áp suất lên tới hàng chục megapascal (hàng trăm atm)? — Kết luận: Sau phản ứng số phân tử khí giảm, tăng áp suất làm cân bằng chuyển dịch sang phải và tăng tốc độ; nhưng áp suất càng cao thì thiết bị và điện năng càng đắt, nên chọn 10–30 MPa |
Bước này không có phản ứng hóa học: 4 mol khí → 2 mol khí, tăng áp suất làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận - Bước 4 (Vì sao dùng nhiệt độ cao): Nhiệt độ càng thấp cân bằng càng có lợi, tại sao lại chọn 400–500 ℃? — Kết luận: Nhiệt độ thấp cân bằng tốt nhưng phản ứng quá chậm; nhiệt độ cao nhanh nhưng cân bằng kém; xúc tác Fe có hoạt tính tốt nhất ở 400–500 ℃, đây là sự dung hòa |
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) - Bước 5 (Cấu tạo bên trong tháp): Bên trong tháp tổng hợp trông như thế nào, nhiệt tỏa ra được kìm giữ bằng cách nào? — Kết luận: Trong tháp chia làm 4 tầng xúc tác, giữa các tầng thổi khí làm nguội nhanh để kiểm soát nhiệt, tránh làm hỏng xúc tác; chất xúc tác chỉ tăng tốc độ, không đổi cân bằng |
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) - Bước 6 (Vì sao phải tuần hoàn): Mỗi lượt chỉ chuyển hóa một phần nhỏ, tại sao tổng hiệu suất sử dụng nguyên liệu lại đạt tới 97 %? — Kết luận: Làm lạnh để tách ammonia lỏng, N₂ và H₂ chưa phản ứng được đưa quay lại phản ứng tiếp; bước này nâng cao hiệu suất sử dụng nguyên liệu chứ không đổi hiệu suất chuyển hóa cân bằng. |
NH₃(g) → NH₃(l) - Bước 7 (Thực hành · Vai trò trưởng ca): Kiểm tra: Bạn làm trưởng ca — có thể giữ vững năng suất mà không để xảy ra sự cố không? — Kết luận: Phần kiểm tra không có kết luận mới: đồng thời đảm bảo điều kiện của 6 bước trước — nhiệt độ, áp suất nằm trong khoảng SGK, bật cả tinh chế lẫn tuần hoàn. |
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Công nghiệp tổng hợp Ammonia · Trang chủ VietLab 3D