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

该高中化学课件聚焦化学反应的调控，以工业合成氨为核心案例，通过“魔鬼与天使—哈伯”情境导入，前承反应速率与化学平衡理论，后接工业条件选择，借助回归教材问题和资料卡片搭建学习支架。 其亮点在于情境化与理论实践融合，以哈伯合成氨历程培养科学思维，结合催化剂中毒等问题渗透科学态度与责任。采用问题驱动和工业流程图示，小结用表格归纳条件，助学生形成“理论-实践-调控”思维，教师可直接用于案例教学提升效率。

第四节 化学反应的调控 第二章 化学反应速率与化学平衡 人 教 版 选 择 性 必 修 1 1 2 学习 目标 1.通过工业合成氨的实例分析，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(重、难点)。 2.通过对催化剂的介绍，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。 情境引入 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 生活生产中我们对化学反应的调控 为了灭火，可以采取隔离可燃物、隔绝空气或降低温度等措施； “魔鬼与天使”—哈伯 空气变面包的反应 情境引入 第一个从空气中制造出氨气的科学家，使人类摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，养活了20亿人，诺贝尔化学奖得主。 一战中，任化学兵工厂厂长发明了化学武器(芥子、氯气等)用于战争，造成近百万人伤亡，是战争魔鬼遭人唾骂。 1908年7月，哈伯在实验室用氮气和氢气在600℃及20MPa下得到了氨，但是产率极低，只有6%。 合成氨反应的特点 1.1 【回归教材】请同学回归教材P46，从理论角度分析合成氨反应的特点？ 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， 【问题1】可逆性如何？ 【问题2】熵变怎么样？ 【问题3】焓变怎么样？ 【问题4】自发性怎么样？ 【问题5】可行性怎么样？ 常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 反应为可逆反应。 ΔS<0，正反应是气体体积减小的反应。 ΔH<0，正反应是放热反应。 平衡常数K = 4.1×106，反应较为完全，方案可行。 理论分析合成氨反应的条件 1.2 【思考交流】请同学们结合原理分析，如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、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) 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 压强 增大压强 增大压强 温度 升高温度 降低温度 催化剂 使用 无影响 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度 特别注意：二者在温度这一措施上是不一致的 【资料卡片】请同学们结合资料卡片，对数据进行分析，讨论实验数据的分析与理论分析的结论是否一致？ 实验数据的分析与理论分析的结论是一致的。 特别注意：二者在温度这一措施上是不一致的 理论分析合成氨反应的条件 1.3 2.1 化学反应的调控 根据所学内容，若你是合成氨化工厂的老板，要把该化学反应投入生产，需要考虑的因素有哪些？ 速率：选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量； 限度：尽量增大反应物的转化率，充分利用原料 考虑设备的要求和技术条件。 可行性问题——化学反应的方向 效率问题——化学反应的速率 产率问题——化学反应的限度 实际问题——成本、材料、设备等 工业合成氨的适宜条件 2.2 【思考交流】请同学们结合上述认知模型，分析并交流合成氨反应的适宜条件 适宜条件 选择依据 压强 温度 催化剂 10～30 MPa 400～500 ℃ 铁触媒 压强越大，需要动力越大，对材料强度和设备的制造要求就越高。增加生产投资，降低综合经济效益 该温度下催化剂的活性最大，反应速率比较快， 氨的含量也相对较高。 以铁为主体的多成分催化剂。 工业合成氨的适宜条件 2.2 【回归教材】结合课本内容，实际生产中选择哪些适宜的条件呢? 催化剂铁触媒、10～30 MPa、400～500 ℃ 【问题1】催化剂对平衡转化率无影响，合成氨工业中为什么还使用催化剂？ 即使在高温、高压下，反应仍然十分缓慢。加入催化剂，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的发生反应。提高单位时间的生产效率，可提高经济效益。 【问题2】什么是催化剂中毒？工业上如何防止催化剂中毒？ 因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程称为催化剂中毒。 原料气必须经过净化。 工业合成氨的适宜条件 2.2 【问题3】 请同学们结合所学，讨论合成氨反应的适宜条件还有哪些? 图：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线 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。 工业合成氨的适宜条件 2.2 【问题3】 请同学们结合所学，讨论合成氨反应的适宜条件还有哪些? 适宜条件 选择依据 浓度 其他 及时将氨气从反应混合物中分离出去（采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨），将未反应的N2和H2循环使用（经济角度)并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。 兼顾环保和效益 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 工业合成氨的适宜条件 2.2 【问题4】 原料气(氢气和氮气)的制备? C + H2O(g) = CO + H2 CO + H2O(g) = CO2 + H2 合成氨工业流程： 制气 净化除杂 压缩 合成 冷却分离 循环压缩 工业合成氨的适宜条件 2.2 合成氨流程简图： 化学反应调控一般思路 2.3 考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素 化学平衡 反应速率 尽量增大 转化率， 充分利用原料 选择较快的 反应速率 设备要求、 安全操作 经济成本 教材P49 科学•技术•社会 哈伯(德)（1918年）申请循环法合成氨专利 博施(德) （1931年） 实现了合成氨的工业化 埃特尔(德) （2007年） 揭开了合成氨的“机理” 弗兰克(德)（1898年）氮 气、碳化钙、水蒸气制氨 哈伯－博施合成法 相关链接 “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 。 第四，不断进行技术创新。生产中的工艺或方法不是一成不变的，随着时代的发展、各种技术也要不断创新，合成氨研发的历史中，特别是诺贝尔化学奖三次授予了与合成氨有关的科学家就证明了这一点。哈伯（1918年获奖）只是完成了合成氨的基础开发工作，1931年获奖的博施实现了合成氨的工业化，2007年埃特尔获奖的原因则是揭开了合成氨反应历程的“天机”。 合成氨常用的生产条件 压强: 温度： 催化剂： 浓度： 原料气： 使用铁触媒 400~500 ℃ 10 MPa~30 MPa 循环使用 将氨液化及时分离 课堂小结 合成氨工业流程 1.正误判断 (1)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率 （ ） (2)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保 （ ） (3)合成氨反应选择在400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大 （ ） 2.已知氮气在催化剂上吸附分解为各基元反应中最慢的步骤。合成氨工业生产一般采用n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8的目的是什么？ 适当提高N2比例，加快合成氨的速率。 √ × √ 典例剖析 2.下列有关合成氨工业的说法正确的是 A.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 B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成 C.工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行 D.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行 √ 应选择一个合适的投料比 对平衡无影响 ΔH－TΔS<0反应自发进行， 常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 典例剖析 3.(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.工业合成氨采用的压强为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 √ 典例剖析 典例剖析 4.中国科学家在合成氨[N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)　ΔH < 0]反应机理的研究中取得新进展,首次报道了LiH-3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理,如图所示。下列说法不正确的是 (　　) A.转化过程中有非极性键的断裂与形成 B.复合催化剂降低了反应的活化能 C.复合催化剂能降低合成氨反应的焓变 D.低温下合成氨，能提高原料的平衡转化率 C 可逆反应，所以存在N2的消耗和生成，即非极性键的断裂与形成 典例剖析 5.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 （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______________ （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 典例剖析 5.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 （3）在实际生产中，采用的压强为常压，原因是__________ （4）在实际生产中，通入过量空气，原因是__________ （5）尾气中的SO2必须回收，原因是_________________________ 因为在常压下，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。 增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高SO2的转化率。 减少对环境的污染。 人 教 版 选 择 性 必 修 1 本课结束，谢谢！ $