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

该高中化学课件围绕合成氨及工业反应的原理、流程、调控与发展展开，通过工艺流程、反应条件、调控思路到发展历程的脉络设计，形成从具体操作到原理分析再到历史演进的学习支架。 其亮点在于融合科学思维（如反应条件选择的原理分析、SO₂转化率数据模型应用）、科学态度与责任（合成氨发展历程中的科学史与技术进步），采用案例与数据结合的教学法。学生能深化对化学反应原理的理解，培养探究能力，教师可提升教学系统性。

第二章 化学反应速率与化学平衡 第四节 化学反应的调控 降温以此延长储存时间 刷油漆以此防锈 我们对化学反应的调控并不陌生，生活中我们对化学反应的调控示例： 降低温度以此灭火 化工生产中，对化学反应的调控，应该注意哪些问题呢? 引·新课导入 3 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。 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，需要考虑哪些问题？ 生产的效率问题 产率问题 反应进行的方向 化学反应的速率：快 化学平衡(限度)：多 生产的可行性问题 理论 实际 效益最大化：经济效益和社会效益(好) 探·知识奥秘 Q1-1：结合价类二维图设计反应实现“向空气中要氮肥”，并写出化学反应方程式 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 J/(mol∙k) 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 J/(mol∙k) Q1-2：你选择哪个反应实现固氮？证据是什么？ N2＋3H2 2NH3 催化剂 高温、高压 N2＋O2 2NO 放电或高温 化学反应 反应温度 平衡常数 25 ℃ 25 ℃ 4.1×106 5×10-31 探·知识奥秘 人工固氮 (合成氨法) 从反应进行方向看 G＝H－TS G< 0 从反应限度看 K值较大，反应进行的完全 方案可行(热力学层面) 合成氨反应条件与原理分析 理论分析 探究一 选择合适的化学反应 确定有价值的研究对象 探·知识奥秘 从理论出发，科学家在实验室模拟该实验，研究发现：室温下将氮气、氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气。 反应速率过慢且产氨率较低(动力学层面) 如何改进上述所遇的问题呢? 探·知识奥秘 从理论出发，科学家在实验室模拟该实验，研究发现：室温下将氮气、氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气。 反应速率过慢且产氨率较低(动力学层面) 反应速率 化学平衡 外界条件 改变 增大合成氨的反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 探·知识奥秘 Q2-1：哪些措施可提高合成氨反应速率？ ΔH＝－92.4 kJ/mol N2＋3H2 2NH3 催化剂 高温、高压 合成氨反应条件与原理分析 理论分析 探究二 合成氨条件的选择 Q2-2：哪种措施对速率的影响最大，理由是什么？ 条件 Ea /KJ·mol-1 v(催)/v(无) 无催化剂 335 3.4×1012(700k) 使用Fe催化剂 167 探·知识奥秘 Q3-1：催化剂参与反应历程中，哪一步是决速步？说明理由。 吸附 表面反应 脱附 扩散 → 吸附 → 表面反应 → 脱附 → 扩散 探·知识奥秘 Q3-2：催如何调控反应条件，加快“决速步骤”的反应速率？ （1）增加N2浓度/分压，从而增加N2的吸附浓度 (2)及时移走生成的NH3，为反应物腾出更多可吸附催化剂表面空间 探·知识奥秘 加快反应速率的方法 增大浓度 增大压强 升温 使用催化剂 增大接触面积 表面积大，活性高，选择性好，无毒无害，廉价易得 防止催化剂中毒——原料气净化 反应物和催化剂 探·知识奥秘 Q3-3：结合合成氨的反应特点，应如何选择反应条件提高合成氨反应限度。 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 ΔH＝－92.4 kJ/mol N2＋3H2 2NH3 催化剂 高温、高压 探·知识奥秘 Q4-1：结合实际，试分析工业合成氨选400-500℃的原因？ 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， 探·知识奥秘 Q4-2：结合实际，试分析工业合成氨选10～30MPa的原因？ 压强越大，对设备要求越高，增加成本，降低综合经济效益 探·知识奥秘 Q4-3：请选择合适的条件提高平衡混合物中氨的含量。 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？ 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，为什么？ NH3的体积分数/% 0 1 2 3 4 5 6 10 20 30 40 50 60 氢气和氮气的投料比 从原料成本来看，氢气的价格要比氮气的价格高 探·知识奥秘 合成塔中各组分物料数据 投料比c(N2):c(H2) 温度℃ 压强MPa 出塔时各组分浓度mol/L N2 H2 NH3 1:2.8 439 30 1.03 2.99 0.997 已知该温度下K=0.91 Q5-1：结合数据分析出塔时合成氨反应达到平衡了吗？依据是什么？工业生产追求的目标是什么？ Q5-2：根据出塔时各组分浓度，你想到什么？工业上用不断投料的方式进行生产优势是什么？ 原料循环使用，降低成本 让反应持续在反应物浓度比较大、速率比较高的状态下发生，增大产物的总量 工业生产：速率优先，兼顾平衡；原料循环使用，降低成本 探·知识奥秘 Q6：为了提高合成氨生产的能力，还可以在哪些方面做进一步改进? 原料的价格 反应热的综合利用 探·知识奥秘 氮气 液化 空气 氮气 N2 减压蒸发 压强降低，物质的沸点降低 氢气 C＋H2O(g) CO＋H2 高温 CO＋H2O(g) CO2＋H2 高温 催化剂 工业上用水蒸气与焦炭在高温下反应，吸收CO2后制得 ——生产成本低 ——生产成本高 合成氨生产的工艺流程 原料气的制备 探·知识奥秘 物质、能量交换 制气→净化除杂→压缩→合成→冷却分离→循环压缩 液态NH3 干燥 净化 N2+H2 N2+H2 防止催化剂中毒 增加原料利用率 N2+H2经过循环反应，可全部转化为NH3 压缩机加压 10MPa~30MPa N2+H2 热交换 N2+H2 铁触媒 400~500℃ N2+H2 NH3+N2+H2 NH3+N2+H2 冷却 合成氨生产的工艺流程 生产流程 探·知识奥秘 2NH3 N2 + 3H2 催化剂 高温、高压 压强：10 MPa~ 30 MPa 催化剂：铁触媒 浓度：增大氮气浓度、液化氨气、原料循环利用 (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) 温度：400~500℃ (反应速率较快、催化剂活性较大) 合成氨反应条件的选择 【小结】 理由 条件 探·知识奥秘 可行性 控限度 调速率 经济效益 社会效益 物质转化 反应方向 反应限度 确定反应 原理分析 实验摸索选条件 看实际 明确目的 化工生产中调控反应的一般思路 设备条件 探·知识奥秘 大家回顾一下咱们是怎么一步步寻找到工业合成氨的适宜条件的，由此我们可以初步归纳出化工生产中调控反应的一般思路。首先要选取一个恰当的反应。工业固氮我们选取了合成氨。 22 合成氨发展历程及重要节点 20世纪 以前 生物固氮 H+，e- ADP 固氮 酶 NH3 ATP 1898年 1909年 德国A.弗兰克等人发现氮能与碳化钙固定而生成氰氨化钙，进一步与过热水蒸气反应即可获得氨 德国化学家Haber用锇催化剂将氮气与氢气在17.5～20MPa和500～600℃下直接合成 1912年 1985年 1990年 Furuya和Yoshiba 考察了26 种无机催化剂在气体 扩散电极上 NRR 产氨的性能 2007年 Gerhard Ertl对人工固氮技术的原理提供了详细的解释 Haber-Bosch法 铁基 催化剂 N2+H2 NH3 Pickett和Talarmin在N2饱和的四氢呋喃溶液中用汞阴极于-2.6V下恒电势电解，首次利用电化学方法还原氮气 探·知识奥秘 更加节能、降低成本、更安全 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 2016年 合成氨发展历程及重要节点 探·知识奥秘 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 ℃下催化剂的活性较高，反应速率较快 已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH < 0的实验数据如下表: 25 26 (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_____________________________。 (5)尾气中的SO2必须回收的目的是什么? 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 防止污染环境;循环利用,提高原料的利用率。 26 $