2.4化学反应的调控 课件 2023-2024学年上学期高二化学人教版（2019）选择性必修1

新课导入 生活中化学反应的调控 隔离可燃物、隔绝空气或降低温度 延长食物储存时间 第四节 化学反应的调控 第二章 化学反应速率与化学平衡 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 合成氨反应条件与原理分析 从化学平衡的视角分析，合成氨应该可行！ 氧化法：N2(g) + O2(g) 2NO(g) 常温 K＝3.8×10－31 2.固氮的可行性分析：（1）从化学平衡的视角 还原法：N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 常温 K＝5.0×108 （2）从化学反应的方向性视角： N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1 自发性：常温（298 K）下，ΔH－TΔS<0，能自发进行 信息资料 合成氨知识回顾 向空气要氮肥就是氮的固定。请同学们想一想：可以从哪些角度选择固氮反应？氮气是单质，要变成化合物，无非是两大方面：使氮元素的化合价升高，即氧化氮气，或者使氮元素的化合价降低，即还原氮气。我们很容易想到这两个反应，通过前面的学习，我们知道认识化学反应有几个视角：化学反应速率、反应平衡与反应方向，那么这两个反应进行的程度如何呢？什么数据可以帮助我们判断反应进行的程度呢？显然是化学平衡常数。请大家观察这两个反应在常温下的化学平衡常数，氮气和氧气生成一氧化氮的化学平衡常数为3.8乘以10的负31次方，远小于10的-5次方，而合成氨的化学平衡常数为5乘以10的8次方，那么同学们是否同意，从化学平衡的视角分析，合成氨应该可行！ 4 增大压强 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 增大反应物浓度或减小生成物浓度 升高温度 降低温度 增大压强 使用催化剂 无影响 合成氨反应条件与原理分析 原理分析 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 合成氨反应条件与原理分析 数据分析 图2：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线 n(N2):n(H2) ≈ 1:3最优 合成氨反应条件与原理分析 升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等 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 合成氨反应条件与原理分析 数据分析 工业合成氨适宜条件的选择 原理分析 实验分析 合成氨时压强越大越好 实际生产 压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大 大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益 我国的合成氨厂一般采用的压强为10MPa~30MPa 工业合成氨适宜条件的选择 压强 原理分析 实验分析 低温以提高平衡转化率 温度降低会使化学反应速率减小 实际生产 达到平衡所需时间变长，工业生产中是很不经济 在实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃。 工业合成氨适宜条件的选择 温度 高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行十分缓慢。 通常采用加入催化剂的方法，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发生反应 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 工业合成氨适宜条件的选择 催化剂 N2 ＋3H2 2NH3 工业合成氨适宜条件的选择 催化剂 向空气要氮肥就是氮的固定。请同学们想一想：可以从哪些角度选择固氮反应？氮气是单质，要变成化合物，无非是两大方面：使氮元素的化合价升高，即氧化氮气，或者使氮元素的化合价降低，即还原氮气。我们很容易想到这两个反应，通过前面的学习，我们知道认识化学反应有几个视角：化学反应速率、反应平衡与反应方向，那么这两个反应进行的程度如何呢？什么数据可以帮助我们判断反应进行的程度呢？显然是化学平衡常数。请大家观察这两个反应在常温下的化学平衡常数，氮气和氧气生成一氧化氮的化学平衡常数为3.8乘以10的负31次方，远小于10的-5次方，而合成氨的化学平衡常数为5乘以10的8次方，那么同学们是否同意，从化学平衡的视角分析，合成氨应该可行！ 13 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。 因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程。 工业合成氨适宜条件的选择 催化剂 meiyangyang8602 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 思考与交流：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？ 将氨及时分离出来，原料气循环使用。 工业合成氨适宜条件的选择 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： ❊ 使用铁触媒作催化剂 ❊ 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 工业合成氨适宜条件的选择 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。 16 N2+H2 干燥 净化 防止催化剂中毒 N2+H2 压缩机加压 10MPa～30MPa N2+H2 热交换 N2+H2 铁触媒 400～500℃ N2+H2+NH3 冷却 液态NH3 N2+H2+NH3 N2+H2 充分利用能源 增大压强 促使化学平衡向生成氨气的方向移动 原料气循环利用，提高原料利用率 工业合成氨适宜条件的选择 合成氨的生产流程 3、生产要求：要考虑设备的要求和技术条件。 1、反应限度：要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。 2、反应速率：要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。 调控化学反应需考虑的问题 $$