2.4 化学反应的调控 课件 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第四节 化学反应的调控 工业生成需要考虑的问题 速率 产率 经济 成本 设备 条件 安全条件 一、合成氨反应条件的原理分析 1.反应原理： 2.反应特点 ①可逆反应; ②气体体积减小的放热反应； ③熵减小反应。 N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ∆H＝－92.2kJ•mol-1 ∆S＝－198.2J•K-1•mol-1 3、反应条件的选择 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 增大反应物浓度 增大反应物浓度 升高温度 降低温度 增大压强 增大压强 使用催化剂 无影响 增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量 温度/℃ 氨的含量/% 0.1MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4 温度升高，氨的含量降低，产率减小，但反应速率快。 压强增大，氨的含量提高，产率增加，反应速率也快。 实验数据 二、合成氨反应条件的控制 1、压强 但是对材料的强度和设备的 制造要求也越高， 需要的动力也越大， 这将会大大增加生产投资， 并可能降低综合经济效益。 目前，我国的合成氨厂 一般采用的压强为10～30MPa 压强越大，速率、转化率都大 综合分析 N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) ∆H<0 2、温度 低温能提高平衡转化率，但速率慢，到达平衡时间长，经济效益差。 高温温能提高速率，但转化率小，且催化剂在500 ℃时活性最大。 目前，一般采用的温度为400 ~ 500 ℃ 综合分析 3、催化剂 弗里茨·哈伯：锇或用铀—碳化铀作催化剂 锇：效果好，但储量极少且锇蒸汽有剧毒。 铀：价格昂贵 ，性质过于敏感 卡尔 ·博施：寻找廉价、安全、稳定的催化剂。 6500次试验，2500种不同配方，最终选用活化温度700K左右的含铅镁促进剂的铁触媒。但杂质气体会使催化剂“中毒”失活，原料气必须经过净化。 铁触媒 4、反应物投料比 （1）根据实验数据分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡NH3的平衡体积分数最大。 （2）实际生产中，N2和H2的物质的量比为1：2.8，以提高H2的转化率。 （3）实际生产中，常使廉价易得的原料适当过量，提高另一原料的转化率，以提高经济效率。 小结——合成氨工业流程及条件控制： 使用催化剂 温度：400~500 ℃ 压强: 10 MPa~30 MPa 将氨及时分离出来，原料气循环使用 哈伯 （1918年） 合成氨的基础开发工作 合成氨与三次诺贝尔化学奖 博施 （1931年） 实现了合成氨的工业化 埃特尔 （2007年） 揭开了合成氨的微观催化机理 “合成氨”里的中国人：2016年中科院大连化学物理研究所研究团队研制合成了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350 ℃、1 MPa 。更加节能、降低成本。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 中科院：热力学平衡浓度限制下热催化合成氨面临的两难问题（A） 及双温区催化合成氨突破平衡浓度限制的理论构想（B，C） A. ①为N N的断裂过程 B. ①②③在高温区发生，④⑤在低温区发生 C. ④为N原子由Fe区域向Ti-H区域的传递过程 D. 使用Ti-H-Fe双温区催化剂使合成氨反应转变为吸热反应 1、热催化合成氨面临的两难问题是：采用高温增大反应速率的同时会因平衡限制导致NH3产率降低。我国科研人员研制了Ti-H-Fe双温区催化剂（Ti-H区域和Fe区域的温度差可超过100℃）。Ti-H-Fe双温区催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。下列说法正确的是 （2）原理分析。根据反应特点，利用影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率、控制副反应的反应条件。 （1）分析反应特点。主要分析反应的方向性、可逆性、反应热和熵变等。 （4）根据工业生产的实际情况、经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件。 （3）根据实验数据进一步分析反应条件，确定适宜条件的范围及催