2.4 化学反应的控制（课件）-【化学可以这样讲】2024-2025学年高二化学同步教学课件+习题（人教版2019选择性必修1）

第二章　化学反应速率与化学平衡 第四节　化学反应的控制 1 素养要求 1.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。 2.知道催化剂可以改变反应历程，对调控反应速率具有重要意义。 3.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题，能讨论化学反应条件的选择和优化。 2 【合成氨的发展】 我国合成氨工业的发展是在20 世纪30 年代开始的，经过几十年的不懈奋斗和发展，我国已经拥有了许多不同流程、不同规模的合成氨工厂。我国目前拥有了一支能够进行合成氨生产的科研等方面的研究技术团队，让我国已成为世界上最大的合成氨生产国，产量约占世界总产量的1/3。 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。 合成氨的应用 制尿素 制纯碱 制硝酸 制冷剂 1 合成氨条件的理解 5 任务一 合成氨条件的理解 1.合成氨反应的特点 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1 N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) (1)自发性： (2)可逆性： (3)熵变： (4)焓变： ΔH<0，正反应是放热反应 ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应 反应为可逆反应 常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行 (5)体积变化： 正反应是气体体积缩小的反应。 任务一 合成氨条件的理解 2．提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果 压强 高压 高压 高压 温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性 催化剂 使用 无影响 使用 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度 增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度 3. 工业生产中选择适宜生产条件的原则 有利于增大反应速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物 加合适的催化剂 不需要 加合适的催化剂 任务一 合成氨条件的理解 外界 条件 有利于增大反应速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果 温度 高温 ΔH<0 低温 兼顾速率和平衡,考虑催化剂的适宜温度 ΔH>0 高温 在设备条件允许的前提下,尽量采取高温并考虑催化剂的活性 压强 高压(有气体参加) 反应后气体体积减小的反应 高压 在设备条件允许的前提下,尽量采取高压 反应后气体体积增大的反应 低压 兼顾速率和平衡,选取适宜的压强 任务一 合成氨条件的理解 任务一 合成氨条件的理解 4.原理分析 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 压强 温度 催化剂 浓度 如何选择反应条件，以增大反应速率、提高平衡转化率？ (利用影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析) 特别注意： 【交流讨论】 二者在温度这一措施上是不一致的 增大反应物浓度，降低生成物浓度 增大反应物浓度 无影响 使用 降低温度 升高温度 增大压强 增大压强 任务一 合成氨条件的理解 5.数据分析 特别注意：二者在温度这一措施上是不一致的 典例剖析 任务一 合成氨条件的理解 (2023·天津第三中学高二期中)德国化学家哈伯在合成氨方面的研究促进了人 　类的发展。合成氨的工业流程如图，下列说法错误的是(　　) A.增大压强既可以加快反应速率，又可以提高原 料转化率 B.升高温度既可以加快反应速率，又可以提高平 衡转化率 C.冷却过程中采用热交换有助于节约能源 D.原料循环使用可提高其利用率 B 2 工业合成氨的适宜条件 13 任务二 工业合成氨的适宜条件 1.合成氨反应条件的选择原则 尽量增大反应物的转化率，充分利用原料； (1) 选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量； (2) 考虑设备的要求和技术条件。 (3) 从反应速率和反应限度两个角度 任务二 工业合成氨的适宜条件 2、压强： 合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30Mpa 【思考1】合成氨时压强越大越好，为何不采用比30 MPa更大的压强? 提示：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，这会加大生产投资，可能降低综合经济效益。 压强的选择—成本与效益的博弈 任务二 工业合成氨的适宜条件 3、温度： 一般采用的温度为400~500 ℃。 【思考2】合成氨采用低温时可提高转化率，但为何未采用更低的温度? 温度的选择—快与少、慢与多的权衡 提示：温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长,不经济。升高温度，转化率降低，另外，合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500 ℃左右活性最大。 任务二 工业合成氨的适宜条件 4、催化剂： 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，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。 任务二 工业合成氨的适宜条件 合成氨催化剂的选择 德国化学家博施 据统计，约90%以上的化学工业过程中都使用催化剂。合成氨需要用到催化剂铁触媒，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2 500 种配方的20 000 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。 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 ℃、1 MPa，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。 可见，催化剂在工业生产及能源问题中发挥着巨大作用。 任务二 工业合成氨的适宜条件 5、浓度： 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。此外，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔发生反应也是很不经济的，应将NH3分离后的原料气循环使用，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。 【思考3】合成氨工业采用迅速冷却法,使气态氨变为液氨后及时从混合物中分离出去的目的是什么? 使化学平衡向生成氨的方向移动。 【归纳提升】 任务二 工业合成氨的适宜条件 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10～30 MPa) 温度 适宜温度，400～500 ℃ 催化剂 使用铁触媒做催化剂 浓度 N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去 任务三 合成氨的生产流程 （一）生产流程 任务三 合成氨的生产流程 （二）流程分析 1、原料气干燥、净化： 2、压缩机加压： 3、热交换： 增大压强 生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨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 4、冷却： 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。 除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性。 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。 任务三 合成氨的生产流程 （三）影响化学反应进行的两个因素 1、参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素 2、温度、压强、浓度、催化剂等反应条件 （四）化学反应的调控 1、定义：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 2、考虑因素：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。 任务三 合成氨的生产流程 3、控制反应条件的目的 (1)促进有利的化学反应： 通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。 通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。 (2)抑制有害的化学反应： 任务三 合成氨的生产流程 4、控制反应条件的基本措施 通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。 (1)控制化学反应速率的措施： 通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。 (2)提高转化率的措施： 课堂小结 选择化工生产适宜条件的分析角度 分析角度 原则要求 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学平衡移动分析 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 从原料的利用率分析 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 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压的能力等 从催化剂的使用活性分析 注意催化剂的活性对温度的限制 当 堂 练 习 3 27 任务四 限时训练 1.(2023·石家庄十八中高二月考)下列关于工业合成氨的说法正确的是(　　) A.工业合成氨采用10～30 MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好 B.选择不同的催化剂会改变此反应ΔH的数值 C.合成氨工业中采用低温以提高平衡转化率 D.合成氨工业中采用循环操作，主要是为了提高氮气和氢气的利用率 D 任务四 限时训练 B 任务四 限时训练 3.(2023·辽宁协作校高二月考)化学反应的调控对于工业生产具有积极意义，下 　列关于调控措施的说法错误的是(　　) A.硫酸工业中，在高温高压、催化剂作用下，可提高生产效益 B.硫酸工业中，为提高SO2的转化率，可通入稍过量的空气 C.工业合成氨，考虑催化剂的活性，选择400～500 ℃的反应温度 D.工业合成氨，迅速冷却、液化氨气是为了使化学平衡向生成氨气的方向 　移动 A 任务四 限时训练 低温高压 任务四 限时训练 (2)下列有关合成氨工业的叙述，正确的是________(填字母)。 A.循环的气体是N2、H2、NH3 B.采用高温是为了保证尽可能高的平衡转化率与快的反应速率 C.及时分离出产品，有利于反应正向进行 D.当温度、压强一定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率 E.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零 CE (3)在其他条件相同时，分别测定不同压强、不同温度下，N2的平衡转化率，结果如下图 　合成氨为放热反应，在一定压强下，升高温度，平衡逆向移动，N2的平衡转化率降低 < 任务四 限时训练 eq \f(1,a2) T1________T2(填“>”或“<”)，判断的理由是_______________________________ ____________________________________________________________________。 (4)温度为T ℃时，将4a mol H2和2a mol N2放入0.5 L密闭容器中，充分反应达平衡后测得N2的转化率为50%，此时放出热量46.1 kJ。则该温度下N2(g)＋ 3H2(g)2NH3(g)的平衡常数为________________。 $$