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

“如果没有化学工业的化肥和农药，世界粮食产量将减半，即地球上人要饿死一半”。 ——徐光宪 N2 (g)＋ 3H2 (g) 　　 2NH3 (g) 1 氨 涂料 氮肥 清洗剂 涂料 燃料 制冷剂 医疗 合成纤维 塑料 染料 硝酸 纯碱 铵盐 以工业合成氨生产条件的选择为例，研究化学反应的调控问题 如果你是一名化学工程师，如何设计合成氨的条件呢？可以从哪些角度分析？ N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) △H＝-92.4kJ•mol-1 生产的效率问题 产率问题 ------化学反应的速率 ------化学平衡(限度) 一、合成氨反应原理分析 1.反应原理： N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ/mol 条件 原料浓度 温度 压强 催化剂 增大反应速率 提高氨的产率 增大C反应物 升温 增大 正催化剂 降温 增大 不影响 增大C反应物 增大反应速率与提高氨的含量所应采取的措施是否一致? 2.反应条件的选择 反应限度 反应速率 (1)原理分析 1. 压强 但是压强越大，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，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 目前，我国的合成氨厂一般采用 的压强为10～30MPa 压强越大，速率、转化率都大 故压强越大越好 二、工业合成氨的适宜条件 【理论分析】 【实际选用】 2.温度 降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 高温能提高速率，但平衡转化率小 二、工业合成氨的适宜条件 【理论分析】 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。 合成氨选用的催化剂 知识梳理 2.温度 降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 高温能提高速率，但平衡转化率小 目前，一般采用的温度为400 ~ 500 ℃ 二、工业合成氨的适宜条件 【理论分析】 【实际选用】 催化剂在500 ℃时活性最大 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 二、工业合成氨的适宜条件 在500℃、30MPa的最佳条件下，平衡混合物中氨的含量仍不高 4. 浓度 H2和N2的投料比 (n)≈2.8：1时，更能促进氨的合成。 及时分离生成物，有利于促进平衡正向移动，提高氨的产率。 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 二、工业合成氨的适宜条件 合成氨常用的生产条件： 压强: 10 MPa~30 MPa 温度：400~500 ℃ 使用催化剂 将氨及时分离出来 原料气循环使用 二、工业合成氨的适宜条件 原料气中混有的杂质会使催化剂的活性明显下降甚至完全破坏，即催化剂“中毒”。 催化剂“中毒” 思考交流 以合成氨工业生产条件的选择为例，尝试总结工业生产中调控化学反应的一般思路和方法。 选取恰当的反应 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) △H＝-92.4kJ•mol-1 分析调控方法 反应 化学平衡 反应速率 最佳效果 确定最适反应条件 技术创新 新型钌基催化剂助力低温合成氨 10 MPa~30 MPa 400~500 ℃ 催化剂 设备条件、经济成本、安全操作 中国科学院大连化学物理研究所(简称"大连化物所")创建于1949年3月，当时定名为"大连大学科学研究所"，1961年底更名为"中国科学院化学物理研究所"，1970年正式定名为"中国科学院大连化学物理研究所"。 大连化物所重点学科领域为:催化化学、工程化学、化学激光和分子反应动力学以及近代分析化学和生物技术，是一个基础研究与应用研究并重、应用研究和技术转化相结合，以任务带学科为主要特色的综合性研究所。 据2022年3月研究所官网显示，大连化物所共有5个所区，分别为:星海主所区、能源学院所区、长兴岛所区、一二九街所区、西山湖所区。新的科研园区占地面积22.61万方米。据2022年3月大连化物所人才招聘网显示，研究所设置19个研究室(部)，包括2个国家重点实验室，1个国家工程实验室，4个国家级工程中心，2个中国科学院重点实验室，6个省级重点实验室，配备单件价值100万元以上各类仪器设备近300台(套)。截至2020年底，研究所共有博士生导师163人，硕士生导师199人，在所研究生1446人(含联合培养317人，留学生62人)，其中博士生837人，硕士生609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 。 （2）在实际生产中，选定的温度为400~500℃，原因是_________ 在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3： 2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g) △H＝－196.6kJ/mol。 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。 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 课堂练习： 低温、高压 该温度是催化剂的活性温度，选择此温度可提高反应速率，缩短反应达到平衡所需要的时间。 （1）从理论上分析，为了使SO2尽可能多转化为SO3，应选择的条件是_____ （3）在实际生产中，采用的压强为常压，原因是__________ 课堂练习： 因为在常压下，400~500℃时，SO2的转化率已经很高了，若再加压对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不适宜。 在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3： 2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g) △H＝－196.6kJ/mol。 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。 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 （4）在实际生产中，通入过量空气，原因是__________ 增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高SO2的转化率。 减少对环境的污染 在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3： 2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g) △H＝－196.6kJ/mol。 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。 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 课堂练习： （5）尾气中的SO2必须回收，原因是__________ 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 C 课堂练习 格哈德·埃特尔 2007年诺贝尔化学奖——证实了氢气与氮气在铁催化剂表面合成氨的反应过程 图2：催化剂不同温度下的催化能力 ②混有的杂质会使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 注意： ①催化剂铁触媒在500 ℃左右时的活性最大 探寻工业合成氨催化剂的历程 哈伯 （1918年） 合成氨的基础开发工作 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”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 探寻工业合成氨催化剂的历程 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 3.反应条件的选择 一、合成氨反应原理分析 (2)数据分析 图1:平衡混合物中氨的含量与温度、压强的关系 温度升高，氨的含量降低 压强增大，氨的含量增大 图2：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线 高压、低温 n(N2):n(H2)=1:3最优 $$