2.4 化学反应的调控 【教学评一体化】课件 2025-2026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 容山中学 化学科组 第四节 化学反应的调控 主讲人：郭 静 目 录 CONTENTS 1 化学反应的调控 2 工业合成氨的适宜条件 学习目标 1、通过工业合成氨适宜条件的选择与优化认识化学反应速率和化学平衡综合调控在生产生活和科学研究中的重要作用。 2、在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路，体会化学反应原理的应用价值。 新课导入 我们对化学反应的调控并不陌生。 鼓风加快物质燃烧 降温延长食物储存时间 降低温度以此灭火 实际对化学反应的调控在工业上的应用更为广泛，我们以工业合成氨生产条件的为例，来进行研究。 任务一 化学反应的调控 18世纪末，英国化学家克鲁克斯“先天下之忧而忧”，率先发出为了使子孙后代免于饥饿“向空气要氮肥”的号召。 请根据所学内容来思考工业合成氨生产条件的选择？ 任务一 化学反应的调控 反应进行的方向 化学反应的速率 化学平衡(限度) 根据所学内容，若要把一个化学反应投入生产，针对化学反应而言，需要考虑： 生产的效率问题 产率问题 生产的可行性问题 根据ΔG＝ΔH－TΔS分析 根据K分析 任务一 化学反应的调控 1、固氮的可行性分析 一、化学反应的调控 ① 从化学反应的方向性视角 自然固氮 雷电/大气/高能固氮 N2＋O2 2NO 放电或高温 H＝＋180.5 kJ/mol S＝＋247.7 kJ/mol 工业合成氨 人工固氮 N2＋3H2 2NH3 高温、高压 催化剂 H＝－92.2 kJ/mol S＝－198.2 kJ/mol 高温下反应能自发进行 ΔH>0 ΔS>0 低温下反应能自发进行 ΔH<0 ΔS<0 如何改进上述所遇的问题呢？ 任务一 化学反应的调控 1、固氮的可行性分析 一、化学反应的调控 ② 从化学平衡的视角 N2(g) + O2(g) 2NO(g) 常温 K＝5×10－31 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 常温 K＝5.0×108 合成氨可行 18世纪末，有人试图在常温常压下合成氨，也有人在常温加压下进行实验，都失败了。 1909年7月建成的实验装置每小时生产90 g氨 哈勃制氨的产率约为6% 2、合成氨可行性 任务二 工业合成氨的适宜条件 二、工业合成氨的适宜条件 1、合成氨的原理分析 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 ΔH＝－92.4 kJ/mol 增大 升高 增大 加入铁触媒 降低 无影响 增大 增大 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？ N2＋3H2 2NH3 高温、高压 催化剂 任务二 工业合成氨的适宜条件 2、合成氨反应的数据分析 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(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。 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 若追求速率，怎么选条件？ 若追求产率，怎么选条件？ 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。 任务二 工业合成氨的适宜条件 ①升高温度，氨的含量降低，化学反应速率加快。两者矛盾； ②增大压强，氨的含量增大，化学反应速率加快。两者一致。 那么实际生成中到底选择哪些适宜的条件呢？ 3、合成氨反应的结论分析 ΔH＝－92.4 kJ/mol N2＋3H2 2NH3 高温、高压 催化剂 任务二 工业合成氨的适宜条件 三、合成氨工艺条件的选择 1、压强 ①原理分析：合成氨时压强越大越好； ②实际分析：但压强大，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。 ③结论：目前，一般采用的压强为10 MPa~30 MPa。 400℃下平衡时氨的体积分数随压强的变化示意图 压强/MPa NH3的体积分数/% 80 60 40 20 40 60 80 100 20 0 任务二 工业合成氨的适宜条件 三、合成氨工艺条件的选择 ①原理分析：根据平衡移动原理，合成氨应采用低温以提高平衡转化率。 ②实际分析：但温度降低会使反应速率减小，达到平衡时间变长，这在工业生产中是很不经济的。 ③结论：目前，一般采用的温度为400 ~500 ℃。 2、温度 90 200 温度／℃ 400 300 600 500 80 70 60 40 30 50 20 10 0 10 MPa下平衡时氨的体积分数随温度的变化示意图 NH3的体积分数/% 任务二 工业合成氨的适宜条件 三、合成氨工艺条件的选择 ①原理分析：使用催化剂能改变反应历程，降低反应活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。目前合成氨工业中普遍使用的是铁触媒。 ②实际分析：铁触媒在500℃左右时活性最大，这也是合成氨一般选择400 ~500 ℃进行的重要原因。 混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 3、催化剂 铁触媒 任务二 工业合成氨的适宜条件 三、合成氨工艺条件的选择 ①原理分析：为提高平衡转化率，工业上采取迅速冷却的方法，使氨气变成液氨并及时分离减小生成物浓度，平衡向正向移动，提高氨的产率。 ②实际分析：增大氮气浓度，N2和H2的投料比为1∶2.8，分离原料气并及时补充循环使用，使反应物保持一定的浓度。 4、浓度 n(N2):n(H2) ≈ 1:3时， 平衡时氨气体积分数最大 任务二 工业合成氨的适宜条件 三、合成氨工艺条件的选择 温度：400~500℃ 压强：10 MPa~ 30 MPa 催化剂：铁触媒 浓度：N2和H2的投料比为1∶2.8、及时分离氨、原料气循环使用。 (反应速率较快、催化剂活性较大) (反应速率较快、平衡正向移动) (反应速率较快，缩短到达平衡时间) (反应速率较快、提高氢气的转化率) ΔH＝－92.4 kJ/mol N2＋3H2 2NH3 高温、高压 催化剂 归纳总结 任务二 工业合成氨的适宜条件 任务二 工业合成氨的适宜条件 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” 合成氨与三次诺贝尔化学奖 “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 任务二 工业合成氨的适宜条件 N2+H2 干燥 净化 防止催化剂中毒 N2+H2 压缩机加压 10MPa～30MPa N2+H2 热交换 N2+H2 铁触媒 400～500℃ N2+H2+NH3 冷却 液态NH3 N2+H2+NH3 N2+H2 增大压强 促使化学平衡向生成氨气的方向移动 原料气循环利用， 提高原料利用率 合成氨的生产流程 探究课堂 明确 目的 可行性 确定 反应 原理分析 实验摸索 找条件 设备可行 成本核算 影响因素 调控反应 化学平衡 反应速率 最佳效果 如何为一个化学反应选择适宜的生产条件？ 学习评价 1、下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应,在低温或常温时可自发进行 B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成 C.合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最高 D.N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成 A 学习评价 2、某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g) M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　) A.工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成 B.若物质B廉价易得，工业上一般采用加入过量的B的方式来提高A和B的转化率 C.工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高 D.工业生产中使用催化剂可提高M的日产量 D 学习评价 3、有平衡体系:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0。为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应采取的正确措施是(　 　) A、高温，高压 B、适宜温度，高压，催化剂 C、低温，低压 D、高温，高压，催化剂 B 学习评价 4、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 （2）在实际生产中，选定的温度为400~500℃，原因是____________________________ _________________________________________ 该温度是催化剂的活性温度， 选择此温度可提高反应速率，缩短反应达到平衡所需要的时间。 低温、高压 （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______________________ （3）在实际生产中，采用的压强为常压，原因是_________________________________ _________________________________________________________________________ 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。 （4）在实际生产中，通入过量空气，原因是__________________________________ 增大氧气的浓度，提高SO2的转化率。 （5）尾气中的SO2必须回收，原因是_____________________________________ 防止污染环境;循环利用,提高原料的利用率。 学习评价 《金版》P60 (2023·江苏卷)二氧化碳加氢制甲烷过程中的主要反应为：CO2(g)+4H2(g)==CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-164.7 kJ/moL CO2(g)+H2(g)==CO(g)+H2O(g) ΔH=41.2 kJ/moL 在密闭容器中,1.01×105 Pa、n起始(CO2)∶n起始(H2) =1∶4时,CO2平衡转化率、在催化剂作用下反应 相同时间所测得的 CO2实际转化率随温度的变化 如图所示。CH4的选择性可表示为 ×100%。 下列说法正确的是(　　) D 学习评价 A.反应2CO(g)+2H2(g)==CO2(g)+CH4(g)的焓变ΔH=-205.9 kJ/moL B.CH4的平衡选择性随着温度的升高而增加 C.用该催化剂催化二氧化碳反应的最佳温度范围约为480~530 ℃ D.450 ℃时,提高 的值或增大压强,均能使 CO2平衡转化率达到X点的值 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) $$