2.4.1 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 课时1 化学反应的调控 亮亮图文旗舰店 https://liangliangtuwen.tmall.com 课堂导入 生活中有很多调控化学反应的实例，例如鼓风加快物质的燃烧，将食物保存在冰箱以延长储存时间，降温灭火等等，在工业生产中应当如何对化学反应进行调控呢？ 课堂学习 合成氨的发展史 20世纪以前 生物固氮，利用生物中固氮酶完成氮的固定 1898年 德国弗兰克等人发现氮能与碳化钙固定而生成氰氨化钙，进一步与过热水蒸气反应即可获得氨 1909年 德国化学家哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5～20MPa和500～600℃下直接合成 1912年 哈勃-博施法，利用铁基催化剂合成氨 1985年 Pickett和Talarmin在N2饱和的四氢呋喃溶液中用汞阴极于-2.6V下恒电势电解，首次利用电化学方法还原氮气 1990年 Furuya和Yoshiba考察了26 种无机催化剂在气体扩散电极上NRR产氨的性能 2007年 Gerhard Ertl对人工固氮技术的原理提供了详细的解释 课堂学习 合成氨的发展史 第一个从空气中制造出氨气的科学家，使人类摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，养活了20亿人，诺贝尔化学奖得主。 一战中，任化学兵工厂厂长发明了化学武器(芥子、氯气等)用于战争，造成近百万人伤亡，是战争魔鬼遭人唾骂。 1908年7月，哈伯在实验室用氮气和氢气在600℃及20MPa下得到了氨，但是产率极低，只有6%。 课堂学习 合成氨的发展史 1874年，卡尔·博施生于德国科隆。24岁时毕业于莱比锡大学，获有机化学博士学位。1908年～1913年，卡尔·博施改进哈伯首创的高压合成氨催化方法，利用氧化铁型催化剂，使合成氨生产工业化，化学上称为"哈伯——博施法"。1940年，因找到合适的催化剂，使合成氨反应成为工业化，也因此获得诺贝尔化学奖。 工业合成氨是人类科学的一项重大突破，其原理如下： N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH = -92.4kJ/mol 下面我们将以合成氨为例，研究化学反应的调控问题。 卡尔·博施 课堂学习 化学反应的调控 根据所学内容，若你是合成氨化工厂的老板，要把该化学反应投入生产，需要考虑的因素有哪些？ 可行性问题——化学反应的方向 效率问题——化学反应的速率 产率问题——化学反应的限度 实际问题——成本、材料、设备等 课堂学习 化学反应的调控 N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 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，需要考虑方向与限度等问题。 (2)焓变：ΔH < 0，熵变：ΔS < 0。 (3)自发性：常温(298 K)下，ΔH – TΔS < 0，能自发进行。 (4)转化率：常温下，平衡常数K = 4.1×106。 可行性分析：反应能自发进行，K值较大，反应较为完全，方案可行。 从理论出发，科学家在实验室模拟该实验，研究发现室温下将氮气和氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气。 课堂学习 化学反应的调控 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 增大 升高 增大 加入铁触媒 提高平衡混合物中氨的含量 增大 升高 增大 无影响 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 对原因进行分析，可能是化学反应速率过慢导致的氨气产率较低，从生产效益的角度也需要增大化学反应速率和平衡转化率，应当如何操作？ 课堂学习 化学反应的调控 不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量(体积分数) 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 表格结论：升高温度、增大压强可以使合成氨的反应速率增大；降低温度、增大压强有利于提高平衡混合物中氨的含量。 课堂学习 化学反应的调控 在实际的生产中，应当怎么选择反应压强呢？ 通过分析，可以发现压强越大，反应速率越快，平衡混合物中氨的含量也会越高。 但是压强越大，对材料的强度和设备的要求就越高，需要的动力也越大。 这会大大增加生产投资，导致降低综合经济效益。 目前来说，我国的合成氨厂一般采用的压强为10-30MPa。 课堂学习 化学反应的调控 在实际的生产中，应当怎么选择反应温度呢？ 通过分析，可以发现温度越高，反应速率越快，生产效率也会越高。 但温度越高，反应进行的限度越小，平衡转化率越低。 同时还需要考虑到催化剂的活性，铁触媒在500℃左右时活性最大。 目前来说，我国合成氨厂一般选择400-500℃的反应温度。 课堂学习 化学反应的调控 在实际的生产中，应当怎么选择投料比呢？ 通过分析，可以发现当氢气与氮气投料比为3:1时，氨气的体积分数最大。 但氮气价格低廉，因此在生产中会增加氮气投料百分比，促进氢气转化。 此外，原料气还应经过净化后投入，否则可能造成催化剂中毒——因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失。 课堂学习 化学反应的调控 此外，还可以采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。 如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔发生反应也是很不经济的，应将NH3分离后的原料气循环使用，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。 原料气(氢气和氮气)的制备： C + H2O(g) = CO + H2 CO + H2O(g) = CO2 + H2 合成氨工业流程： 制气 净化除杂 压缩 合成 冷却分离 循环压缩 课堂学习 化学反应的调控 合成氨流程简图： 课堂学习 化学反应的调控 合成氨流程简图： 课堂学习 化学反应的调控 化工生产中化学反应调控的一般思路： 下列有关合成氨工业的说法正确的是 (　　) A.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应,在低温或常温时可自发进行 B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成 C.合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高 D.N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成 课堂巩固 A 中国科学家在合成氨[N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)　ΔH < 0]反应机理的研究中取得新进展,首次报道了LiH-3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理,如图所示。下列说法不正确的是 (　　) A.转化过程中有非极性键的断裂与形成 B.复合催化剂降低了反应的活化能 C.复合催化剂能降低合成氨反应的焓变 D.低温下合成氨，能提高原料的平衡转化率 课堂巩固 C 课堂小结 谢谢观看 THANKS 亮亮图文旗舰店 https://liangliangtuwen.tmall.com 20 Traveling Light Joel Hanson Traveling Light, track 1 Other 208783.17 XXX - 163 key(Don't modify):L64FU3W4YxX3ZFTmbZ+8/TWA8gDlYn/6k9D9xIGo8WXAZ2QiReq2dElL2Uype/05125txy+290yas1na7fVnhLNI+TRhJ61mPhQ1c9cVRJh2tcPYpsqK//UpSWshiZeqtOF5yXaMvFmZLtNMPmHEmWm5zXCbrAgPrcwUiXRZDfBSjdG7+PZv7n9jmrmmXjQNRN7cKgWMidXn/sXnSCWlbL4OWWRI0MBVM5M6UmSUfd5QL+2EbGGtlVDyf6a3kWlh0LVau7yMZUcFzrdeTIrpSoBphMBpsXvzNeBTWAEoolH+2NNQ5qjYw2Ehhy2hVDLv3ktDcgTMGFT2jUCNSlV8bgfzS0LMEGUm8HMdJ2VEZeYIQkVSAVX2yUn/tNcrWGU20lDWCql1jdByW0uuVqLcw1pO4+/9BtqUHjnMYmjcswHCOUm+418eufzpVOdj7Xm47yxOOXjIJXEOCqdGBZQ6bBFwfBf2be2ISzvN7pF2sRM= $$