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

第二章 化学反应速率与化学平衡 第四节 化学反应的调控 第一课时 化学反应的调控 1 新课导入 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。 2 合成氨 每年的10月16日为“世界粮食日” 粮食增产 吃不饱 吃的饱 要知道世界上还有很多人在挨饿，那么如何使粮食增产呢？ 禾下乘凉梦 改良品种 世界粮食日 肥料 3 合成氨 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 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 如何从空气中获得肥料？ 4 合成氨 【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！ 5 合成氨 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下得到了氨，但是产率只有2%。 工业合成氨需要考虑的问题 理论 提高单位时间里产品的产量 （从化学反应的速率考虑） 提高平衡混合物中产品的含量 （从化学平衡的移动考虑） 从生产成本、动力、材料、设备等对上述理论探讨进一步论证，以得出合理的结论。 实际 德国化学家哈伯被称为“向空气要面包”的人。 6 合成氨反应及其特点 1、合成氨反应的特点 合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1， ΔS＝ －198.2 J·mol－1·K－1 (1)可逆性：反应为可逆反应。 (2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。 (3)焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0。 (4)自发性：常温(298 K)下，ΔG=ΔH－TΔS<0，能自发进行 7 合成氨反应及其特点 温故知新：影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些? 影响因素 化学反应速率 化学平衡 气体压强 温度 浓度 催化剂 温度越高,反应速率越大 压强越大,反应速率越大 正催化剂加快反应速率 反应物浓度越大,反应速率越大 升高温度,平衡向吸热方向移动 增大压强,平衡向气体分子数减小的方向移动 催化剂对平衡无影响 增大反应物浓度,平衡正向移动 8 合成氨反应及其特点 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 增大 升温 降温 增大 增大 不影响 矛盾 如何从温度、浓度、压强、催化剂角度提高合成氨的反应速率和限度? 增大 9 合成氨反应及其特点 下表的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。 温度/℃ 氨的含量/% 0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa 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 9.1 13.8 23.1 31.4 压强越大，NH3%越大。 温度越低，NH3%越大。 实验数据表明应采取的措施与理论一致。 10 合成氨反应及其特点 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。 合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 压强越大,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,这会加大生产投资,可能降低综合经济效益。 压强不宜过高也不宜过低 11 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 12 合成氨反应条件的控制 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， 13 合成氨反应条件的控制 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 2007 年 Ertl 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。 14 合成氨反应及其特点 多个峰的含义？ 1.加入催化剂之后，活化能大大降低; 2.加入催化剂之后，产生了几个小峰，说明发生了几个反应。 理解催化剂作用下的反应历程 计算机模拟的铁触媒参与下合成氨反应能量-反应历程图 15 合成氨反应及其特点 理解催化剂作用下的反应历程 吸附 表面反应 脱附 16 合成氨反应及其特点 理解催化剂作用下的反应历程 决速步骤 脱附：NH3(ad) → NH3(g) 吸附：N2(g) → N2(ad) H2(g) → H2(ad) 表面反应： N2(ad) → 2N(ad) H2(ad) → 2H(ad) N(ad) + H(ad) → NH(ad) NH(ad) + H(ad) → NH2(ad) NH2(ad) + H(ad) → NH3(ad) 17 合成氨反应及其特点 理解催化剂作用下的反应历程 1.增加 N2的浓度(分压) ，从而增加N2的吸附浓度，加快决速步骤的反应速率。 2.及时移走生成的NH3，为N2和H2腾出更多可供吸附的催化剂表面空间 决速步骤 18 合成氨反应条件的控制 3、催化剂 催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。 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。 “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 。 19 合成氨反应条件的控制 【原理分析】 加催化剂可改变反应历程，加快反应速率 【实际选用】 目前，普遍使用以铁为主体成分的催化剂，即 。 铁触媒 图2：催化剂不同温度下的催化能力 注意： ①催化剂铁触媒在500 ℃左右时的活性最大 ②混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 3、催化剂 20 合成氨反应条件的控制 4、浓度 在温度与压强的最佳条件下，平衡混合物中氨的含量仍不高 图：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线 【原理分析】 【实际选用】 n(N2) : n (H2) ≈ 1: 2.8 ①从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。 ②不断地补充反应物或者及时的分离生成物有利于工业生产 a、迅速冷却氨气成液态并及时分离 b 、将氨分离后的原料气循环使用，并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度。 21 合成氨反应条件的控制 22 合成氨常用的生产条件 铁触媒催化剂 原料气循环利用 及时分离出氨气 400～500℃ 10MPa～30MPa 23 合成氨反应及其特点 流程分析 ①原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性。 ②压缩机加压：增大压强。 ③热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 ④冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 ⑤循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。 24 化学反应的调控 1、定义：就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 2、考虑因素：在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 3、控制反应条件的目的 (1)促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。 (2)抑制有害的化学反应：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。 25 化学反应的调控 4、控制反应条件的基本措施 (1)控制化学反应速率的措施：通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。 (2)提高转化率的措施：通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。 26 随堂训练 1.1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是（ ） A.①②③ B.②④⑤ C.①③⑤ D.②③④ B　 27 随堂训练 2.据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g) CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是（ ） A.使用Cu­-Zn­-Fe催化剂可大大提高生产效率 B.反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应 C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率 D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率 ⇌ B　 28 随堂训练 3.某温度下，对于反应: N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是 A.将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ B.平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)<K(B) C.上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的 转化率增大 D.升高温度，平衡常数K增大 ⇌ C　 29 THANKS 30 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) $$