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

化学反应的调控 人教版化学 选择性必修1 第二章 第四节 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 合成氨的提出 2 1.为什么要合成氨？ 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。 化学创造了 第二个大自然！ 合成氨的提出 2. 合成氨很难吗？ 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 合成氨不容易，难在哪儿？ 如果是你，你会怎样分析？ 合成氨的提出 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%。 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 合成氨的提出 合成氨很难！ 如果你是20世纪初的工程师，你如何为工厂设计合成氨的生产条件？可以从哪些角度分析？ 可否自发 化学平衡（限度） 化学反应速率 理论实践 想一想： 寻找工业合成氨的适宜条件 温度（℃） 25 350 400 450 600 700 平衡常数 4.1×106 1.847 0.507 0.152 0.009 2.6×10－3 合成氨反应的平衡常数随温度的变化 资料1 资料2 思考：根据以上信息，从化学反应的方向角度（298K时）和化学反应的限度角度分析工业合成氨的可行性？ N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) △H＝－92.2kJ•mol-1 ∆S＝－198.2J•K-1•mol-1 ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol-1＋298K×198.2×10-3 kJ·k－1·mol－1，因为ΔH-TΔS<0，298 K下合成氨反应能自发进行。 合成氨反应的平衡常数K=4.1×106（mol·L-1)-2当平衡常数K＞105时，反应进行得较完全。可见，298K即25℃时反应达到平衡时进行得很完全。 任务一 判断工业合成氨的可行性 寻找工业合成氨的适宜条件 任务二 合成氨实验条件的选择 寻找工业合成氨的适宜条件 调控外界条件: 温度、浓度、压强、催化剂 化学反应速率 化学平衡 任务二 合成氨实验条件的选择 寻找工业合成氨的适宜条件 想一想： 思考：为什么没有在常温合成氨？合成氨难在哪儿？ 常温下合成氨化学反应速率很小！ 任务二 合成氨实验条件的选择 寻找工业合成氨的适宜条件 合成氨反应为什么慢？ 1. 从化学反应速率分析 ——活化能高 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 使用 怎样降低反应的活化能？ ——改变反应历程 效果不够理想 铀价格昂贵 ，性质过于敏感 效果好，但储量极少 铁 锇 铀 催化剂 含铅镁的铁 效果好，原料易得，性质稳定 学习科学家坚持不懈的精神 11 催化剂 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。 催化历程一般包括5个步骤:扩散→吸附→表面反应→脱附→扩散。 12 任务二 合成氨实验条件的选择 寻找工业合成氨的适宜条件 理论分析——合成氨反应有什么样的特点？如何通过选择反应条件提高平衡混合物中氨的含量？ N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ∆H ＝－92.4 kJ/mol 2. 从化学平衡分析 对合成氨 反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 提高平衡 混合物中氨 的含量 n(N2):n(H2) ≈1:3 及时移走产生的氨 降低 增大 任务二 合成氨实验条件的选择 寻找工业合成氨的适宜条件 2. 从化学平衡分析 实践探索——通过实验验证理论 课本p47 n(N2):n(H2) ≈ 1:3 400 ℃ ①压强 理论分析： 压强越大越有利于提高平衡混合物中氨的含量。 实验结果： 与理论预期一致 任务二 合成氨实验条件的选择 寻找工业合成氨的适宜条件 2. 从化学平衡分析 实践探索——通过实验验证理论 课本p47 理论分析： 实验结果： ②温度 低温可以提高平衡混合物中氨的含量。 n(N2):n(H2) ≈ 1:3 10 MPa 与理论预期一致 采用控制变量的方法 任务二 合成氨实验条件的选择 寻找工业合成氨的适宜条件 2. 从化学平衡分析 实践探索——通过实验验证理论 课本p47 原料气 n(N2):n(H2)≈1:3 及时移走产生的氨 低温和高压 从化学平衡看，合成氨的适宜条件 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 使用 提高平衡混合物中氨的含量 n(N2):n(H2) ≈1:3 及时移走产生的氨 降低 增大 无影响 任务二 合成氨实验条件的选择 寻找工业合成氨的适宜条件 寻找工业合成氨的适宜条件 3. 综合分析 实现工业生产： 综合考虑成本要低！ ①压强 从化学反应速率与化学平衡考虑，都是压强越大越好。 综合成本与设备耐压： 10 MPa~30 MPa 压强的选择—成本与效益的博弈 压强不宜过高也不宜过低 ②温度 综合考虑，特别是考虑催化剂的活性。 一般400~500 ℃ 低温可以提高平衡混合物中氨的含量，但低温会减小化学反应速率。 寻找工业合成氨的适宜条件 温度不宜过高也不宜过低 温度的选择：快与少、慢与多的权衡 3.催化剂 增大化学反应速率，不改变平衡混合物的组成。 现在常用铁，其活性最好的温度为500 ℃左右。 寻找工业合成氨的适宜条件 显著改变反应速率 加入催化剂 化学反应速率 化学平衡 平衡不移动 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 想一想： 寻找工业合成氨的适宜条件 铁触媒催化剂 400～500℃ 合成氨常用的生产条件 10MPa～30MPa 原料气循环利用 及时分离出氨气 400～500℃ 10MPa～30MPa 22 解决实际问题 在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化为SO3： 2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1。下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。 （1）从理论分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是 。 （2）在实际生产中，选定的温度为400～500℃，原因是 。 （3）在实际生产中，采用的压强为常压，原因是 。 （4）在实际生产中，通入过量的空气，原因是 。 温度/℃ 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 催化历程一般包括5个步骤:扩散→吸附→表面反应→脱附→扩散。 23 解决实际问题 （5）工业上采用接触法制备硫酸，V2O5做催化剂，有人提出如下反应历程： 反应Ⅰ： 2SO2+ V2 O5=SO3 + V2 O4 （较慢） 反应Ⅱ： 2SO2+ V2 O5=SO3 + V2 O4 （较快） 由此推知，活化能较大的是反应________填“”或“”。 （6）尾气中的SO2必须回收，原因是 。 催化历程一般包括5个步骤:扩散→吸附→表面反应→脱附→扩散。 24 化工生产中调控反应的一般思路 化学平衡 实践层面 设备可行 原理分析 反应速率 成本核算 思想理念 “绿色化学” 可持续发展 化学反应 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个方向进行 25 随堂练习 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 √ N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 催化历程一般包括5个步骤:扩散→吸附→表面反应→脱附→扩散。 26 随堂练习 2.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 √ ⇌ 27  $$