2.4 化学反应的调控 课件-2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修1

走进奇妙的化学世界 选择性必修1 第四节 化学反应的调控 学习 目标 化学反应的调控 PART 01 PART 02 PART 03 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 4 。。。 。。。 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 工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下： N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1， ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。 (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。 在实际工业生产过程中如何选择反应的条件？ 工业合成氨的反应及其特点 增大 增大c(反应物) 增大 增大 升高 降低 使用 无影响 2．工业合成氨生产条件的选择 图1:平衡混合物中氨的含量与温度、压强的关系 温度升高，氨的含量降低 压强增大，氨的含量增大 图2：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线 高压、低温 n(N2):n(H2)=1:3最优 【2】数据分析：NH3含量的实验测定结果 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 1:7 1:1 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 (1)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行 (2)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率 (3)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应 (4)增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨的产率 (5)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的 × × √ × × 例题 1.合成氨工业的主要反应为N2(g)+3H2(g)　　2NH3(g)　ΔH<0， 在密闭容器中进行。下列说法正确的是 A.其他条件不变，及时分离出NH3，会降低NH3的产率 B.使用催化剂可使N2的转化率达到100% C.其他条件不变，增大压强不仅能提高反应物的转化率，还能缩短到 　达平衡的时间 D.其他条件不变，温度越高，氨气的产率越高 √ 例题 2.(2024·北京工业大学附属中学高二质检)研究不同催化剂对2NH3　 　　　N2+3H2反应速率的影响。恒温、恒容时，c(NH3)(×10-3 mol· L-1)随时间(min)的变化如下。 　 t c(NH3) 0 20 40 60 80 催化剂Ⅰ 2.40 2.00 1.60 1.20 0.80 催化剂Ⅱ 2.40 1.60 0.80 0.40 0.40 例题 下列说法不正确的是 A.使用催化剂Ⅰ，0~20 min平均反应速率v(N2)=1.00×10-5mol·L-1·min-1 B.使用催化剂Ⅱ，达平衡后容器内的压强是初始时的倍 C.相同条件下，使用催化剂Ⅰ和催化剂Ⅱ的反应热相同 D.相同条件下，使用催化剂Ⅱ可使该反应的化学平衡常数更大 　 t c(NH3) 0 20 40 60 80 催化剂Ⅰ 2.40 2.00 1.60 1.20 0.80 催化剂Ⅱ 2.40 1.60 0.80 0.40 0.40 √ 例题 工业生产选择怎样的合适的生产条件呢？ 探究问题一、压强的选择 综合分析 压强越大，速率转化率都大 但是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。 目前，我国的合成氨厂 一般采用的压强为 10～30MPa 探究问题二、温度的选择 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 目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃ 综合分析 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 2007 年 Ertl 证实了 N2与 H2在催化剂表面合成氨的反应历程如图所示。 扩散→吸附→表面反应→脱附→扩散。 探究问题三、催化剂的选择 合成氨的反应历程 探究问题三、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 探究问题三、催化剂的选择 探究问题四、浓度的选择 理论上，氮气和氢气的物质的量比为1：3时，氨的体积分数最大，但实验测得适当提高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。 综合分析 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 1.(2024·山东德州高二检测)下列有关合成氨条件选择的说法正确的是 A.适当增加氢气的浓度可提高氮气的平衡转化率 B.温度越高，速率越快，生产效益越好 C.使用铁触媒能提高合成氨反应的平衡转化率 D.将氨及时液化分离不利于提高氨的产率 √ 例题 2.(2024·扬州大学附属中学高二质检)合成氨反应：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，N2(g)与H2(g)反应生成1 mol NH3(g)放出46 kJ的热量。该反应通常需要在高温(400~500 ℃)、高压(10~30 MPa)条件下进行，反应过程通常采用铁触媒作为催化剂。下列说法不正确的是 A.合成氨反应中采用400~500 ℃高温主要是因为此时催化剂的活性最大 B.合成氨反应中采用高压的目的主要是为了促进平衡向右移动 C.合成氨反应中采用铁触媒作为催化剂可以加快反应速率 D.合成氨反应中将0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)置于密闭容器中充分反 应，其放出热量为46 kJ √ 例题 3.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)　 2SO3(g)　ΔH=-196.6 kJ·mol-1。(已知：催化剂是V2O5，在400~500 ℃时催化剂效果最好)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/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 例题 温度/℃ 平衡时SO2的转化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 (1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是　　　 　。  (2)在实际生产中，选定的温度为400~500 ℃，原因是_______________ ________________________________________________________________________________________________。  450 ℃、10 MPa 在此温度下，催化剂活性最高。温度较低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间较长；温度较高，SO2的转化率会降低 例题 (3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是_____________________ _______________________________________________________________________________________________________________。  在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大对设备的要求而增大生产成本 温度/℃ 平衡时SO2的转化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 例题 (4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是______________________ _______________________。  (5)尾气中SO2必须回收，原因是_________________________________ _____________________。  增大反应物O2的浓度， 有利于提高SO2的转化率 防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率(合理即可) 温度/℃ 平衡时SO2的转化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 例题 4.合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应原理为N2(g)+3H2(g)　 　　2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1。如图为500 ℃、60.0 MPa条件下，平衡时NH3的体积分数与原料气投料比的关系。 (1)若投料比为4时，NH3的体积分数可能为图中的　　点。  (2)若投料比为3时，NH3的最大体积分数为42%，计算H2的平衡体积分数。 P 答案　NH3的最大体积分数即为平衡体积分数，NH3体积分数为42%，H2、N2的体积分数之和为58%，则H2的平衡体积分数：×3=43.5%。 返回 例题 $$