2.4化学反应的调控 课件 2024-2025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 1 学习目标 1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。 2.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。 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。 引入 这些是生活中对化学反应的调控，实际对化学反应的调控在工业上的应用更为广泛，我们以工业合成氨生产条件的为例，来进行研究。 3 氨是重要的无机化工产品之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位。农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。 合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20% 作为其它化工产品的原料。 一、工业合成氨 1.合成氨的应用（固氮）： N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) △H＝－92.2kJ•mol-1 ∆S＝－198.2J•K-1•mol-1 请根据在298K时合成氨反应的焓变和熵变分析： △ G=△H－T△S = －33.14 kJ·mol－1＜0，可以正向自发进行。 常温下合成氨不容易进行，难在哪儿？如果是你，你会怎样分析？ 【思考与讨论】 1.在298K时合成氨反应能否正向自发进行？ 2.常温下合成氨很容易进行吗？ 18世纪末，有人试图在常温常压下合成氨，也有人在常温加压下进行实验。——都失败了 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，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 2.合成氨反应的特点 1.合成氨的原理分析：据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？ 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 正催化剂 不影响 二、寻找工业合成氨的适宜条件 N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 2.合成氨反应的数据分析：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 若追求速度，怎么选条件？ 若追求产率，怎么选条件？ 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。 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。 那么实际生成中到底选择哪些适宜的条件呢？ 3.合成氨反应的结论分析： 合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 9 1.压强 目前，我国的合成氨厂 一般采用的压强为10～30MPa 综合分析 三、工业合成氨反应条件的控制 压强越大，速率、转化率都大，但对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力越大，这将会大大增加生产投资，降低综合经济效益。 压强的选择—成本与效益的博弈 2.温度 综合分析 目前，一般采用的温度为400 ~ 500 ℃ 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。 温度的选择—快与少、慢与多的权衡 ①原理分析：使用催化剂能改变反应历程，降低反应活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。目前合成氨工业中普遍使用的是铁触媒。 ②实际分析：铁触媒在500℃左右时活性最大，这也是合成氨一般选择400 ~500 ℃进行的重要原因。 混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 3.催化剂 催化剂不同温度下的催化能力 12 合成氨催化剂的选择 德国化学家博施 据统计，约90%以上的化学工业过程中都使用催化剂。合成氨需要用到催化剂铁触媒，为了寻找合适的催化剂，博施及其研究组进行了大量的试验，一直到1922年，共进行了超过2 500 种配方的20 000 多次试验，终于筛选出了合成氨工业用催化剂。尽管后来不断地改进，但这种类型的催化剂一直沿用至今。 2016 年，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队研制了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350 ℃、1 MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破，为发展更加节能的催化剂提供了新的思路。 可见，催化剂在工业生产及能源问题中发挥着巨大作用。 13 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，怎么办？ 温度/℃ 氨的含量/% 0.1 MPa 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 大家再观察，从压强与温度获得的最佳条件下，如500度、30MPA，达平衡时氨的含量才26.4%，合成氨的平衡转化率仍不高，仍有大量的氮气和氢气未转化为氨气。如何找到提高氨含量的办法？那只能从浓度考虑了，你想出办法了吗？对！可以及时移走氨，另外，没有反应的原料气氮气、氢气，它们物质的量比仍大约为1：3，是不是还可以使用？这就是原料气的循环利用，工业上常用的降低成本的方法。 14 4.浓度 图：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线 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。 工业合成氨适宜条件 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10～30 MPa) 温度 适宜温度，400～500 ℃ 催化剂 使用铁触媒做催化剂 浓度 N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去，原料气循环使用 【归纳总结】 合成氨工业流程 1.干燥、净化：除去原料气中的杂质， 防止催化剂“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：NH3的液化需较低温度，迅速冷却使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离，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。 同学们，我们终于找到了合成氨的适宜条件了！就是使用催化剂：温度控制在400~500 ℃，压强一般为10~30M Pa，并且将氨及时分离出来。现在我国是氨的生产大国，2015年我国液氨产量为近几年来的最高，达5791.39万吨。 17 哈伯 （1918年） 合成氨的基础开发工作 【科学史话】 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“天机” 合成氨反应速率为什么那么小？氮气和氢气是怎么反应的？随着研究技术的发展，德国哈伯研究所的埃特尔教授的研究表明：在合成氨反应初期，氮分子被吸附在铁催化剂表面，然后吸附在表面的氮气和氢气发生解离，氢气比较容易解离，而氮气难，进而确定吸附的氮原子和氢原子是反应活性物，整个反应就是氮原子逐步加氢最终生成氨分子的过程，埃特尔给出了每步反应的活化能。其中氮的吸附解离是速率控制步骤，因此现在合成氨中氮气与氢气的物质的量之比不是理论值1：3，而是氮气略过量，为1：2.8. 18 1.影响化学反应进行的因素 （1）内因：参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素； （2）外因：温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。 四、化学反应条件的控制 2.化学反应的调控 （1）含义：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）考虑实际因素 a.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，寻找合适的生产条件。 b.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。 19 明确目的 可行性 确定 反应 原理分析 实验摸索 找条件 设备可行 成本核算 如何为一个化学反应选择适宜的生产条件？ 影响因素 调控反应 化学平衡 反应速率 最佳效果 总结： 我们小结一下今天的研究思路，要完成化学反应的调控，首先要明确研究目的，针对目的进行可行性研究，确定具体的反应，接下来从理论（化学平衡和化学反应速率）和实践两个层面寻找反应适宜的条件。当然这个条件不是一成不变的，会随着技术、理论的发展不断改进，越来越优，更加环保、低成本是我们一直追求的目标。总之，化学反应的调控，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。 今天的学习就到这里，同学们再见！ 20 1.某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g) 2M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　) A.工业上合成M时,一定采用高压条件,因为高压有利于M的生成 B.若物质B价廉易得,工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率 C.工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高,反应物的转化率越高 D.工业生产中常采用催化剂,因为生产中使用催化剂可提高M的日产量 D　 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 2.合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。 (1)X的化学式为________。 (2)图中条件选定的主要原因是________(填字母编号)。 A．温度、压强对化学平衡的影响 B．铁触媒在该温度时活性大 C．工业生产受动力、材料、设备等条件的限制 (3)改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是__________，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是________(填字母编号)。 【答案】(1)NH3　(2)B、C　(3)c　a 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 3.氨气及其相关产品在化工领域中具有重要作用。回答下列问题： (1)以NH3和CO2为原料生产尿素[CO(NH2)2]，发生反应的化学方程式为2NH3(g) +CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O (g) ΔH ①该反应每消耗1mol NH3，放出174 kJ热量，则ΔH＝________kJ·mol-1。 ②为了提高尿素的产率，下列措施可行的是________(填标号)。 A．升高温度 B．增大压强 C．加入合适的催化剂 D．及时移除部分H2O (g) 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 (2)某温度下，向恒容密闭容器中通入1mol NH3、0.5mol CO2两种原料气，使之发生上述反应。5 min后，反应达到平衡，此时得到的尿素质量为15 g，容器内的压强( p )随时间( t )的变化如图1所示。 ①保持其他条件不变，图2中能正确反映平衡常数 K随温度的变化关系的曲线是________(填标号)。 ②反应达到平衡后， x = ________，平衡常数 KP=________ (以分压表示，分压=总压×物质的量分数)。 【答案】(1)①-348 ②BD (2)①a ②0.4 25 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 $$