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

第四节 化学反应的调控 第二章 化学反应速率和化学平衡 核心素养发展目标 了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件 了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异 认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用 我们对化学反应的调控并不陌生。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。 工业上怎么调控化学反应达到更大生产效益呢？ 宏观探究 (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。 工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下： 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，也是传统煤化工的重要组成部分。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。 向空气要面包 —合成氨中的化学问题 进行程度较大 社会责任 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。 K＝5.0×108 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1， ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。 在实际工业生产过程中如何选择反应的条件？ 速率 产率 经济 成本 安全条件 设备 条件 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 模型构建 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的速率(效率) 提高平衡时氨的含量(产率) (1)原理分析： 越低越好 越大越好 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ∆H ＝－92.4 kJ/mol 越大越好 越高越好 越大越好 无影响 加快反应速率 越大越好 证据推理 根据合成氨反应的特点，你期待如何调整反应条件，以增大合成氨的反应 速率、提高平衡混合物中氨的含量（转化率）？（越高or越低） 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 NH3含量的实验测定结果如下，请根据下图找到最佳投料比是多少？ (2)数据分析 证据推理 在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量变化情况（初始时氮气和氢气的体积比是1:3）如下表。 结合成成氨反应的特点，讨论应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量。 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 压强越大，NH3%越大。 温度越低，NH3%越大。 实验数据表明应采取的措施与理论一致。 (2)数据分析 证据推理 根据平衡移动原理，低温以提高平衡转化率。但是，温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡的需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。因此，催化剂在500 ℃时活性最大，目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃ 升温、加压、增大浓度及用催化剂等，都可以使合成氨的反应速率增大； 降温、加压、增大浓度等有利于提高平衡氨的转化率。 催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。 在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？1.温度的选择 (2)数据分析 证据推理 二者矛盾 即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。通常采用加放入催化剂的方法，改变反应历程，降低反应的活化能。目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主的多成分催化剂，又称铁触媒。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，为了防止混有杂质使催化剂“中毒”，原料必须 经过净化。 在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？ 2.催化剂的选择 证据推理 (2)数据分析 原理分析和对实验数据分析均表明，压强越大，速率转化率都大 。但是，压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，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，我国的合成氨工厂一般采用的压强为10MPa~30MPa。 在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？3.压强的选择 证据推理 (2)数据分析 由表2－2可以看出，在500 ℃和30MPa时，合氨平衡混合物中NH3的体积分数是多少，有什么好方法提高转化率？ 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 证据推理 (2)数据分析 在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？ 4.浓度的选择 工业上采取迅速冷却的方法，使气态氨液化及时从平衡混合中分离出去，减小生成物浓度，平衡向正向移动，提高氨 的产率。 此外，为提高经济效益，分离液氨的N2和H2进行循环利用。 由表2－2可以看出，即使在500 ℃和30MPa时，合氨平衡混合物中NH3的体积分数也只为26.4%，即平衡时N2和H2的转化率仍然不够高。 压强: 温度： 催化剂： 浓度： 原料气： 合成氨工业流程 使用铁触媒 400~500 ℃ 10 MPa~30 MPa 循环使用 将氨液化及时分离 科学精神 合成氨常用的生产条件 1．在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有（ ） ①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容，再充入N2和H2 ⑥恒温恒压，再充入N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用催化剂 A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．②③⑤⑧ C 化学反应的调控 化学平衡 反应速率 温度 压强 催化剂 温度 压强 移走生成物 社会因素 设备条件 安全操作 经济成本 环境保护 社会效益 使反应尽可能向着期望方向移动 使反应在可控的情况下尽可能快 提高单位时间的产率 提高反应物平衡转化率 化学反应调控选择条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。 化工生产适宜条件选择的一般原则是什么？ 模型构建 条件 原则 从化学反应速率分析 从化学反应限度分析 从原料的利用率分析 从实际生产能力分析 从催化剂的使用活性分析 既不能过快，又不能太慢 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性， 又要注意二者影响的矛盾性 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 如设备承受高温、高压能力等 注意温度对催化剂的活性的限制 在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化成SO3,2SO2 (g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH= -198KJ\mol ,(已知制备SO3的过程中催化剂使是V2O5,在400--500℃效果最好），下表为不同温度和压强下的二氧化硫的转化率 常压450℃催化剂 此温度下催化效果最好 常压下转化率已经很高 增大反应物浓度提高SO2 转化率 防止污染环境 课本P49 4 $$