2.4.1 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

知识回顾 1、影响反应速率的因素 浓度 C V 温度 V T 压强 P V 催化剂 加催 V 2、影响平衡的因素 浓度 温度 压强 平衡正向移动 提高产率 第二章 化学反应速率与化学平衡 第四节 化学反应的调控 我们对化学反应的调控并不陌生。 例如，为了灭火，可以采取隔离可燃物、隔绝空气或降低温度等措施； 为了延长食物储存时间，可以将它们保存在冰箱中。 向空气要氮肥—合成氨中的化学问题 氮短缺事关人类的存亡，某一天将会有一位化学家寻找出一种方法，将成对的氮原子间三键打破，制出一种能为植物吸收的氮的化合物。 ——威廉∙克鲁克斯（英国） 如何从空气中获得肥料？ NO3－ 【氧化法】 N2 (g) + O2 (g) ⇌ 2NO (g) 【还原法】 N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) K＝3.8×10-31 常温 K＝5.0×108 常温 进行程度较大 ✔ 从化学平衡的角度分析，合成氨可行！ 工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下： 自发性： 常温(298 K)下， ΔG=ΔH－TΔS=-92.2+298×0.1982=-33.14<0， 能自发进行。 请根据反应的焓变和熵变分析在298K时合成氨反应能否正向自发进行？ N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) △H＝－92.2kJ•mol-1 ∆S＝－198.2J•K-1•mol-1 先合成氨，再进一步将之转化为铵盐或者硝酸盐，变成了土壤可吸收的形式。最好的原料是空气，因为它其中富含氮元素。 ——卡尔 ·博施 合成氨 难不难呢？ 如果你是当时的工程师，如何设计合成氨的条件呢？ 可以从哪些角度分析？ 德国化学家哈伯向合成氨发起冲击。1908年7月，他在实验室用氮气和氢气在600 ℃、20 MPa在锇催化剂作用下，得到了氨，但是产率只有2%。 产率＝ 实际产量 理论产量 哈伯合成氨所用装置 产率：某种生成物的实际产量与理论产量的比值。 思考探究 工业生产中应该考虑那些问题呢？ 速率 产率 经济 成本 安全条件 设备 条件 以工业合成氨生产条件的选择为例，研究化学反应的调控问题 N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 一、合成氨反应条件的原理分析 增大 增大 升高 降低 增大 增大 使用 无影响 二、合成氨反应的数据分析 压强越大，NH3%越大。 温度越低，NH3%越大。 若追求产率，怎么选条件？ 若追求速率，怎么选条件？ 三、合成氨反应的结论分析 图:平衡混合物中氨的含量与温度、压强的关系 压强增大，氨的含量增大 温度升高，氨的含量降低 高压、低温 ①升高温度，氨的含量降低， 化学反应速率加快。两者矛盾； ②增大压强，氨的含量增大， 化学反应速率加快。两者一致。 升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等， 都可以使合成氨的反应速率增大； 降低温度、增大压强、增大反应物浓度等有利于提高平衡混合物中氨的含量。催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。 实际工业生产选择怎样的合适的生产条件呢？ 三、合成氨反应的结论分析 四、合成氨反应条件的控制 1、压强 【原理分析】 N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 压强越大，速率、转化率都大 【实际选用】 目前，我国的合成氨厂 一般采用的压强为10～30MPa 【理由】 压强越大，对设备要求越高，增加成本，降低综合经济效益 2、温度 【原理分析】 温度越低转化率越高 但，反应速率越慢 【实际选用】 目前，一般采用的温度为400 ~ 500 ℃ 【理由】 高温能提高速率，但转化率小，且催化剂在500 ℃时活性最大 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， 四、合成氨反应条件的控制 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 2007 年 埃特尔证实了 N2与 H2在催化剂表面合成氨的反应历程如图所示。 扩散→吸附→表面反应→脱附→扩散。 埃特尔合成氨催化剂表面化学过程模型 合成氨机理图 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ① ② ⑥ ③ ④ ⑤ ① N2 (g)+ H2 (g)= N2 (吸)+ H2(吸) ② N2 (吸)+ H2(吸) =N(吸)+3H(吸) ③N(吸)+3H(吸) =NH(吸)+ 2H(吸) ④NH (吸)+2H(吸) =NH2(吸)+ H(吸) ⑤NH2 (吸)+H(吸) =NH3(吸) ⑥NH3 (吸)=NH3(g) （决速步骤，活化能最大） （吸附） （解吸） N2