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 meiyangyang8602 请你说说！ 生活生产中我们对化学反应的调控 meiyangyang8602 新课导入 水果腐败变慢 为了延长食物储存时间，可以将它们保存在冰箱中 汽车尾气及时处理 这些都是我们对化学反应的调控 观看 [图片] 民以食为天 粮食增产 吃不饱 吃的饱 如何使粮食增产呢？ 禾下乘凉梦 改良品种 粮食危机 肥料 4 制氮肥的原料 1898年，英国科学家克鲁克斯发出了“向空气要氮肥”的号召 氮的固定 N2 氮肥 应该选择何种方式固氮呢？ 对空气变面包的反应合成氨进行分析 德国化学家哈伯被称为“向空气要面包”的人。 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝−92.4 kJ•mol−1 (3) 省 (4) 好 (2) 快 (1) 多 提高平衡混合物里氨的含量 提高单位时间里氨的产量 降低成本，提高原料利用率 保护环境，对设备的要求 ——化学平衡 ——化学反应速率 如何调控反应条件使它满足工业化生产的要求呢? 5 6 回顾学过的固氮反应，哪个反应可以实现工业化生产? 高能 固氮 生物 固氮 N2 + O2 = 2NO N2 + 3H2 2NH3 6 7 1.NH3 可以进一步转化为 被植物吸收和利用; 2.该反应原料来源丰富，可逆性：反应为可逆反应。 3.体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。 4.合成氨反应焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0，低温下反应能自发进行; 【氧化法】 如何从空气中获得肥料？ 【还原法】 进行程度较大 从化学平衡的角度分析，合成氨可行！ 7 一、合成氨反应的原理分析 工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破 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         提高平衡混合物中氨的含量         增大 移走氨 升温 降温 增大 增大 正催化剂 不影响 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 根据合成氨反应的特点，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？ 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? 在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢? 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 若追求速度，怎么选条件？ 若追求产率，怎么选条件？ 把成本也考虑进去，即综合考量速率、产率、成本 ①温度升高,氨的含量 ;与速率是 (填“相一致”或“相矛盾”)。 ②压强增大,氨的含量 ;与速率是 (填“相一致”或“相矛盾”)。 一、合成氨反应的数据分析 (初始时氮气和氢气的体积比是1：3) 下表的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况 合成氨的适宜条件的选择 外界条件 使NH3生产得快 使NH3生产得多 理论选择适宜条件 压强 温度 催化剂 反应物浓度 增大浓度 高温 使用 增大浓度 低温 无影响 增大浓度 矛盾 ？ ？ 速率分析 平衡分析 高压 高压 高压 一致 三、合成氨反应条件的控制 1、压强 【原理分析】 N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 压强越大，速率、转化率都大 【实际选用】 目前，我国的合成氨厂 一般采用的压强为10～30MPa 【理由】 压强越大，对设备要求越高，增加成本，降低综合经济效益 2、温度 【原理分析】 温度越低转化率越高 但，反应速率越慢 【实际选用】 目前，一般采用的温度为400 ~ 500 ℃ 【理由】 高温能提高速率，但转化率小，且催化剂在500 ℃时活性最大 低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， 二、合成氨反应条件的控制 扩散 → 吸附 → 表面反应 → 脱附 → 扩散 理解催化剂作用下的反应历程 吸附 表面反应 脱附 【原理分析】 加催化剂可改变反应历程，加快反应速率 【实际选用】 目前，普遍使用以铁为主体成分的催化剂，即 。 铁触媒 图2：催化剂不同温度下的催化能力 注意： ①催化剂铁触媒在500 ℃左右时的活性最大 ②混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 二、合成氨反应条件的控制 3、催化剂 4、浓度 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 图：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线 【原理分析】 【实际选用】 n(N2) : n (H2) ≈ 1: 2.8 ①从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。 ②不断地补充反应物或者及时的分离生成物有利于工业生产 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，并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度。 二、合成氨反应条件的控制   工业合成氨的适宜条件 压强 温度 催化剂 浓度 10～30 MPa 400～500 ℃ 铁触媒做催化剂 采取 的方法，及时分离出液氨， 分离后的原料气 . 二、合成氨反应的条件调控 N2和H2的的投料比为1∶2.8，及时分离氨 三、调控化学反应需考虑的问题 1．反应限度：要考虑尽量增大反应物的__________，充分利用原料。 2．反应速率：要选择较快的____________，提高单位时间内的产量。 3．生产要求：要考虑设备的要求和技术条件。 转化率 反应速率 化学反应的调控 ①含义：通过 使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 ②考虑因素：设备条件、安全操作、经济成本等；综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适的生产条件；权衡分析环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 结合合成氨的条件选择，思考：工业上调控化学反应需要考虑哪些问题？ 实际工业简要流程 造气、净化、合成氨 防催化剂中毒 净化 压缩 合成 分离 H2 : N2 （2.8:1) 造气 液氨 N2和H2循环利用 冷凝 选择生产条件的原则：既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性， 又要注意催化剂活性对温度的限制。 知识拓展 合成氨与三次诺贝尔化学奖 哈伯 （1918年） 合成氨的基础开发工 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 总结工业生产中调控化学反应的一般思路和方法。 可自发 优先考虑催化剂 大大提高转化率 温度、浓度、压强等 “合成氨”中的中国人： 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,为发展节能的催化剂提供了新的思路。 模型应用 (1)应选择的温度是________，理由是 。 温度 不同压强下SO2的转化率(%) 1×105Pa 5×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa 450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 450 ℃ 该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450 ℃反应物转化率较高 已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH < 0的实验数据如下表: 22 23 (2)应采用的压强是________，理由是： (3)在合成SO3的过程中，不需要分离出SO3的原因是： (4)生产中通入过量空气的目的是_____________________________。 1×105Pa 常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要动力更大，对设备的要求更高 SO2的转化率比较高，达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少 增大O2浓度、提高SO2的转化率 温度 不同压强下SO2的转化率(%) 1×105Pa 5×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa 450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 23 相矛盾 增大 相一致 降低 循环使用 迅速冷却 改变反应条件 $$