2.4 化学反应的调控 课件 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

2023-2024学年 选择性必修1(人教版2019) 第二章·化学反应速率 化学平衡 第四节 化学反应的调控 1 知识回顾 1、影响反应速率的因素 浓度 C V 温度 压强 催化剂 V T P V 加催 V 2、影响平衡的因素 浓度 温度 压强 平衡正向移动 提高产率 在工业生产中，压强能够无限增大吗？ 勒夏特列的“滑铁卢”实验 1900年，法国化学家勒夏特列在研究平衡移动的基础上通过理论计算，认为N2和H2在高压下可以直接化合生成氨，接着，他用实验来验证，但在实验过程中发生了爆炸。他没有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险，于是放弃了这项研究工作，他的合成氨实验就这样夭折了。后来的科学家查明实验失败的原因，是他所用混合气体中含有O2，在实验过程中H2和O2发生了爆炸的反应。 “一时大意”的能斯特 稍后，德国化学家能斯特通过理论计算，认为合成氨是不能进行的。因此人工合成氨的研究又惨遭厄运。后来才发现，他在计算时误用一个热力学数据，以致得到错误的结论。 “天使与魔鬼”的化身哈伯 在合成氨研究屡屡受挫的情况下，哈伯知难而进，对合成氨进行全面系统的研究和实验，终于在1908年7月在实验室用N2和H2在锇催化剂600℃、200个大气压下成功合成了氨，但产率仅有2%，却也是一项重大突破。当哈伯的工艺流程展示之后，立即引起了早有用战争吞并欧洲称霸世界野心的德国军政要员的高度重视，为了利用哈伯，德国皇帝也屈尊下驾请哈伯出任德国威廉研究所所长之职。而恶魔需要正好迎合了哈伯想成百万富翁的贪婪心理。从1911年到1913年短短的两年内，哈伯不仅提高了合成氨的产率，而且合成了1000吨液氨，并且用它制造出3500吨烈性炸药TNT。到1913年的第一次世界大战时，哈伯已为德国建成了无数个大大小小的合成氨工厂，为侵略者制造了数百万吨炸药，因而导致并蔓延了这场殃祸全球的世界大战。这就是第一次世界大战德国为什么能够坚持这么久的不解之谜谜底。 目前，中国是世界上最大的化肥生产和消费大国，合成氨年生产能力已达4222万吨。但合成氨一直是化工产业的耗能大户。6月7日～8日，全国合成氨节能改造项目技术交流会在北京召开，明确了“十一五”期间合成氨节能工程在降耗、环保、快速等方面要达到的具体目标。 制尿素 制纯碱 制硝酸 制冷剂 思考探究 工业生产中应该考虑那些问题呢？ 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 目录 工业合成氨的原理分析（合成氨的可行条件分析） 01 工业合成氨的适宜条件 02 习 学 目 标 课标要求 核心素养 1．认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。 2．知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。 1.变化观念与平衡思想：知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。 2.科学态度与社会责任：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应用，探索最适宜的化工生产条件。 NO.1 工业合成氨的原理分析（合成氨的可行条件分析） 【问题1】根据合成氨反应特点，如何通过选择反应条件加快反应速率和提高平衡混合物中氨的含量 N2(g)＋3H2(g) ⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 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 升高 降低 增大 增大 使用 无影响 增大 【思】 【议】 1、原理分析 一、工业合成氨的原理分析 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 【问题2】数据分析：氮气和氢气的含量为多少时，能够提高合成氨的产率？ 【问题3】分析表中数据，结合合成氨反应的特点，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 2、数据分析 压强增大，氨的含量增大 温度升高，氨的含量降低 高压、低温 理论总结 升高温度时，氨的生产速率变快。但是会使平衡逆向 移动，产率会减小，二者矛盾 增大压强时，速率增大和平衡正向移动，二者一致 工业生产选择怎样的合适的生产条件呢？ NO.2 工业合成氨的适宜条件 思考探究 工业生产中应该考虑那些问题呢？ 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 探究问题一、压强的选择 （1）原理分析：压强 。 越大越好 （2）选用条件：一般采用的压强为 。 10～30 MPa （3）理由：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。 合成氨的反应历程 探究问题二、催化剂的选择 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 18 铁触媒 综合分析 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 能较快地进行反应。 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 探究问题二、催化剂的选择 数据分析 已知：合成氨的催化剂在500℃左右时活性最大 催化剂 反应 速率 温度 500℃左右 转化率 温度 降低温度 探究问题三、温度的选择 20 探究问题三、温度的选择 综合分析 低温能提高平衡转化率， 但会使化学反应速率 减慢 ， 达到平衡所需时间变长， 这在工业生产中是很不经济的 且催化剂在500 ℃时活性最大 目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃ 【问题3】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，怎么办？ 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 将氨及时分离出来，原料气循环使用 探究问题四、浓度的选择 综合分析 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。 综合分析 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。 浙江省2023年高考题 湖南省2023年高考题 课堂小结 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 归纳总结 合成氨的工艺流程 化工生产适宜条件选择的一般思路是什么？ 明确目的 确定反应 原理分析 实验摸索 化学平衡 反应速率 设备可行 成本核算 化工生产中调控反应的一般思路 可行性 找条件 $$