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

第二章 化学反应速率与化学平衡 第4节 化学反应的调控 学习目标 1、通过工业合成业生自条件的选择与优化,认识速率与化学平衡的综合调控在生产生活、科学研究中作用。 2.形成多角度分析化学反应与化工生产条件的思路。 我们对化学反应的调控并不陌生。例如，为了灭火可以采取隔离可燃物、隔绝空气或降低温度等措施;为了延长食物储存时间，可以将它们保存在冰箱中。下面我们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。 合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下： N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H=-92.4kJ/mol 环节一 从速率和平衡两个角度分析合成氨的条件 合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下： N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H=-92.4kJ/mol 思考与讨论 1、原理分析：根据合成氨反应特点，完成P46页表格，应选择怎样的反应条件？ 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大氨的合成反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 增大 增大 增大 增大 升高 降低 使用 不影响 环节一 从速率和平衡两个角度分析合成氨的条件 思考与讨论 2、数据分析：在工业合成氨时应选择哪些反应条件？ 综合上述两个方面，分析增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致。 升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都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。 催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。 那么，在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢? 使用铁触媒作催化剂 温度：400~500 ℃ 压强: 10 MPa~30 MPa 浓度：n(N2):n(H2)=1:2.8，将氨及时分离出来 环节二 结合工业实际，理解合成氨的条件 3、分析工业压强采用10MPa至30MPa的原因，可结合图2-11，分析在相同温度下平衡时氨的体积分数与压强的关系。 理论分析和实验数据分析，合成氨的压强越大越好。但是，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，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 环节二 结合工业实际，理解合成氨的条件 4、结合图2-12分析在相同压强下平衡时氨的体积分数与温度的关系，分析工业温度采用400℃至500℃的原因。 环节二 结合工业实际，理解合成氨的条件 5、思考：催化剂对反应的转化率有没有影响？在工业生产中为什么还要加入催化剂？选择何种催化剂？使用催化剂过程中要注意哪些问题？催化剂对温度有什么要求？如何保持催化剂的活性？ 在高温高压下，合成氨的反应仍然进行得十分缓慢，加入催化剂改变反应历程，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。目前普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。催化剂活性与温度有关，温度过高或过低都会降低催化剂活性。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。 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的过程。 6：由表2-2可以看出，即使是在500℃和30MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，即平衡时 N2和H2的转化率仍不够高。在实际生产中，还需要考虑浓度对化学平衡的影响等。为了提高氨的产率，从浓度角度，我们还可以怎么做？ 理论值 n(N2):n(H2)=1:3 实际值 n(N2):n(H2)=1:2.8 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。 循环利用分离氨后的原料气，并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应。 环节二 结合工业实际，理解合成氨的条件 合成氨原料气最合适的投料比： 环节二 结合工业实际，理解合成氨的条件 合成氨的工业生产条件： 使用铁触媒作催化剂 温度：400~500 ℃ 压强: 10 MPa~30 MPa 浓度：n(N2):n(H2)=1:2.8，将氨及时分离出来 小结： 工业生产中： 一般需要使用催化剂：可以大大加快反应速率，提高生产效率。 选择合适温度：兼顾速率和平衡,且在此温度下催化剂的活性最高。 选择合适压强：兼顾速率和平衡，还要考虑动力、材料、设备等。 任务三 合成氨生产的工艺流程 干燥净化 压缩机加压 10MPa—30MPa 热交换 铁触媒 500℃ 冷却 N2＋H2 N2＋H2 N2＋H2 NH3＋N2＋H2 液态NH3 分析工艺流程中各步操作的作用？ （提示：催化剂遇杂质易降低活性） 1、原料气干燥、净化： 防止催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性 2、压缩机加压： 增大压强 3、热交换： 合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 4、冷却： 使氨液化后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 5、循环使用原料气： 因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，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，提高经济效益。 小结 影响化学反应进行的因素主要有两个方面，首先是参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素，其次是温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。 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。 在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 练习1 1. 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 （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 （2）在实际生产中，选定的温度为400~500℃，原因是 低温、高压 温度较低会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长，温度较高，二氧化硫的转化率会降低。该温度是催化剂的活性温度。 拓展练习 （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，通入过量空气，原因是 （5）尾气中的SO2必须回收，原因是 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。 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，提高原料气SO2利用率。 1. 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 课堂小结 冷、热气体进行热交换;用蒸发成品氨来冷却离开催化剂的气体。图2-14所示为哈伯所用合成氨的实验装置。 哈伯在此基础上继续进行了大量的实验研究，于1909年申报了高压专利，以及用饿作催化剂和用铀-碳化铀作催化剂的专利。他发现，用镀作催化剂，在17.5 MPa~20.0MPa及500~600℃下，氨的含量可超过6%，具备了实现工业化生产的可能性。德国一家公司购买了哈伯的专利，对他的研究及工业化试验给予资助，并委任德国化学家博施(C.Bosch，1874-1940)全权负责该项目的开发。博施认识到，将此法进行工业化生产试验所面临的问题主要有以下几个方面。 ●设计获得大量廉价原料气体的方法:采用水煤气(主要成分为H,和CO)作为氢气的来源;氮气由液化空气分离法提供。 ●寻找高效，稳定的催化剂:哈伯推荐的催化剂，由于价格、来源和性能等原因不宜作工业用。 为了寻找合适的催化剂，博施及其研究组进行了大量的试验，一直到1922年，共进行了超过2500种配方的20000多次试验，终于筛选出了合成氨工业用催化剂。尽管后来不断地改进，但这种类型的催化剂一直沿用至今。开发适合高温、高压下的合成设备:1910年，用低碳钢制造的合成反应器无法承受高温、高压下氢气的腐蚀，组建合成氨设备成了关键问题。博施及其研究组经过反复试验，找到了用熟铁作衬里的办法。至此，合成氨生产的技术难题终于被解决。哈伯完成了合成氨的基础开发工作，博施实现了合成氨的工业化，所以，这种合成氨的工业方法被称为“哈伯-博施法"。哈伯因发明用氮气和氢气合成氢的方法获得1918年诺贝尔化学奖。博施因开发合成氨采用的高压方法而获得了1931年诺贝尔化学奖。可以说，合成氨技术是人类科学技术领域的重大突破。 到目前为止，氨的合成实现工业化生产已经100多年了，使用的催化剂和当初开发的依然类似。据统计，全世界在合成氨工业上消耗的能源占全人类能源消耗的1%~2%。为了降低合成氨的能耗，人们一直试图对合成条件进行优化。2016年，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队研制了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350℃、1MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破，为发展更加节能的催化剂提供了新的思路。 $$