2.3.4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 1 【学习任务一】合成氨知识回顾 假如你是一个化工厂的老板对工业生产你主要应考虑哪些问题？ 1.合成氨的应用（固氮）：18世纪末，英国化学家克鲁克斯“先天下之忧而忧”，率先发出为了使子孙后代免于饥饿“向空气要氮肥”的号召。合成氨工业是关系我国国民经济的重要行业，是我国化肥工业的基础。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡胶等；氨在冶金、机械加工、电子、造纸等行业用途广泛。 信息资料 2 【学习任务一】合成氨知识回顾 2.合成氨的反应历程： 信息资料 N2 ＋3H2 ⇌ 2NH3 3 合成氨的尝试 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验。——都失败了。 哈伯合成氨所用装置 冷却室 反应器 出水口 干燥室 液态NH3出口 进水口 未反应气体通过循环泵返回 压缩N2和H2进口 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%。 思考：合成氨很难吗？合成氨不容易，难在哪儿？如果是你，你会怎样分析？ 4 【交流研讨】 工业合成氨时主要考虑的因素？ （3）便宜 （4）绿色 （2）快 （1）多 即提高平衡混合物里氨的含量——化学平衡问题 即提高单位时间里氨的产量——化学反应速率问题 降低成本，提高原料利用率。 保护环境，对设备的要求。 5 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件 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。 1．合成氨反应的特点 6 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件 2．从化学平衡分析合成氨的适宜条件 N2(g) + 3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 根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、提高平衡混合物中按的含量？请填入下表。 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 7 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件~ 多 根据此反应特点分析，什么条件有利于合成氨？ 外界条件 增大NH3的含量 化学平衡角度 浓度 N2、H2 NH3 温度 压强 催化剂 增大N2、H2的浓度，其物质的量之比为1:3时，NH3的含量最高 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 NH3% nN2:nH2 及时转移走NH3 8 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件 外界条件 增大NH3的含量 提高合成NH3的速率 化学平衡角度 化学速率角度 浓度 N2、H2 NH3 压强 温度 催化剂 及时转移走NH3 低温 高压 无影响 增大N2、H2的浓度，提高氢气压强更有利于提高反应速率，其物质的量之比应<1:3 及时转移走NH3 高温 高压 正催化剂 快 多 增大N2、H2的浓度，其物质的量之比为1:3时，NH3的含量最高 9 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件 达到平衡时平衡混合物中NH3的含量体积分数[ n(N2):n(H2)≈1:3 ] 0.1 10 20 30 60 100 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4 压强/MPa NH3含量/% 温度/℃ 温度升高， 氨的含量降低 压强增大，氨的含量增大 10 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件 （一）压强：合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 Mpa。 【思考1】合成氨时压强越大越好，为何不采用比30 MPa更大的压强? 提示：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。 压强的选择—成本与效益的博弈 11 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件 【思考2】合成氨采用低温时可提高转化率，但为何未采用更低的温度? 温度的选择—快与少、慢与多的权衡 提示：温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长，不经济。升高温度，转化率降低，另外，合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500 ℃左右活性最大。 （二）温度：一般采用的温度为400~500 ℃。 12 利用水煤气（主要是H2和CO） 合成氨反应为什么慢？ ——活化能高 怎样降低反应的活化能？ ——改变反应历程 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件 （三）催化剂： 目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400~500℃进行的重要原因。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”,原料气必须经过净化。 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。 也就是考虑合成氨的条件时，化学反应速率是不可或缺的因素！那同学们想过吗？合成氨反应为什么慢？一定是活化能高。怎样降低反应的活化能？可以通过改变反应历程。如何通过选择反应条件增大合成氨的化学反应速率？请大家回忆哪些因素会影响化学反应速率？非常好，就是浓度、温度、压强和催化剂。这些因素怎样影响合成氨的化学反应速率的？从浓度看当然是浓度越大越好，即用较纯的原料，温度越高化学反应速率越大，压强越大化学反应速率越大，而使用催化剂可以降低反应的活化能。 13 3．综合分析合成氨的适宜条件 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件 ①压强：从化学反应速率与化学平衡考虑，压强越大越好。 实现工业生产：综合成本与设备耐压 10 MPa~30 MPa。 ③催化剂：增大化学反应速率，不改变平衡混合物的组成。 实现工业生产：现在常用铁触媒，其活性最好的温度为500℃左右。 ②温度：低温可以提高平衡混合物中氨的含量，但速率会减小。 实现工业生产： 综合考虑，温度 一般控制400~500℃。 同学们看，增大合成氨的化学反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施并不完全一致，怎么办？工业生产还要考虑什么因素？ 14 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 思考3：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？ 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；原料气循环使用。 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件 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。 15 总结合成氨常用的生产条件 合 成 塔 氨 分 离 器 液氨 水 冷 器 循环气体 压缩机 循环压缩机 氢氮混合气 ❊ n(N2):n(H2)≈1:3 ❊使用铁触媒催化剂 ❊ 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 16 干燥 净化 压缩机 加压 10 MPa~30 MPa 热交换 铁触媒 400~500℃ 冷却 WWWW N2+H2 N2+H2 N2+H2 N2+H2 N2+H2 NH3+N2+H2 NH3+N2+H2 液态NH3 合成氨生产流程 17 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 影响因素 调控反应 化学平衡 反应速率 最佳效果 小结：化学反应的调控 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！ 18 哈伯 （1918年） 合成氨的基础开发工 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” 合成氨与三次诺贝尔化学奖 “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 知识拓展 第四，不断进行技术创新。生产中的工艺或方法不是一成不变的，随着时代的发展、各种技术也要不断创新，合成氨研发的历史中，特别是诺贝尔化学奖三次授予了与合成氨有关的科学家就证明了这一点。哈伯（1918年获奖）只是完成了合成氨的基础开发工作，1931年获奖的博施实现了合成氨的工业化，2007年埃特尔获奖的原因则是揭开了合成氨反应历程的“天机”。 19 平衡时SO2的转化率/% 　　　　　　 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 压强　　　 温度 【课本P49页3 】在硫酸工业中,通过下列反应使SO2氧化成SO3: 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH=-198 kJ·mol-1。(已知催化剂是V2O5，在400~500 ℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%): 当堂巩固 1.根据化学理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是什么? 2.在实际生产中,选定400~500 ℃作为操作温度,其原因是什么? 3.根据上表中的数据分析,制取SO3时为什么不采用高压? 4.在生产中,通入过量空气的目的是什么? 5.尾气中的SO2必须回收的目的是什么? 提示：450 ℃、10MPa、催化剂。（或者低温、高压） 提示:温度较低，会使反应速率减小，达到平衡的时间长，温度较高，SO2转化率降低；且在此温度下催化剂的活性最高 。 提示:在常压下SO2的转化率就已经很高，若采用高压，SO2的转化率升的不明显，对材料强度和设备制造的要求更高，增加成本。 提示:增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率。 提示:防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率。 　　　　　　 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 当堂练习 (1)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。 (　　) (2)合成氨反应中，压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。 (　　) (3)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。 (　　) (4)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 ( ) (5)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。 ( ) (6)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行。( ) 1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”) × × √ × × × 22 随堂练习 2．合成氨工业的说法中,正确的是(　　) A.增大H2的浓度，可提高H2的转化率。 B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中会循环使用，所以总体来说氨的产率很高。 C.合成氨工业的反应温度控制在400~500 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动。 D.合成氨厂采用的压强是10 MPa~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大。 B 23 随堂练习 3．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　 24 选题背景 25 $$