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

第二章 化学反应速率和化学平衡 第三节 化学反应的调控 第1课时 1 学习目标 1．通过化学反应速率和化学平衡的影响因素，掌握合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的原因。 2．利用化学反应原理，了解调控化学反应速率和平衡的方法。 3．结合工业生产实际，了解化工条件的选择。 核心素养 1．通过运用变量控制反应方向，培养变化观念和平衡思想。 2．运用化学知识解决生产、生活中的简单化学问题，培养科学态度与社会责任。 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 生活中我们对化学反应的调控示例 化工生产中，对化学反应的调控，应该注意哪些问题呢？ 合成氨反应：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 1、合成氨反应的特点 一、工业合成氨 4 (1)原理分析 条件 压强 P 温度 T 催化剂 浓度 提高反应速率 提高平衡时NH3的百分含量 合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 P ↑ P ↑ T ↑ T ↓ 使用 无影响 C反 ↑ C反 ↑ 或 C生 ↓ V(N2):V(H2)=1:3 ，达到平衡时平衡混合物中NH3的含量体积分数 0.1 10 20 30 60 100 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4 压强/MPa NH3含 量/% 温度/℃ 温度升高，氨的含量降低 压强增大，氨的含量增大 (2)数据分析 6 （一）压强： 二、工业合成氨的适宜条件 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，这会加大生产投资,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 （二）温度： 二、工业合成氨的适宜条件 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：但温度低会使反应速率减慢，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 ℃。 （三）催化剂： 催化剂在不同温度下的催化能力 二、工业合成氨的适宜条件 ①原理分析：使用催化剂能改变反应的历程，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。 9 ①原料用量：增大反应物浓度（N2） 理论值：n(N2):n(H2) = 1:3 实际为：n(N2):n(H2) = 1:2.8 （四）浓度： 二、工业合成氨的适宜条件 N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) 合成氨反应速率为什么那么小？氮气和氢气是怎么反应的？随着研究技术的发展，德国哈伯研究所的埃特尔教授的研究表明：在合成氨反应初期，氮分子被吸附在铁催化剂表面，然后吸附在表面的氮气和氢气发生解离，氢气比较容易解离，而氮气难，进而确定吸附的氮原子和氢原子是反应活性物，整个反应就是氮原子逐步加氢最终生成氨分子的过程，埃特尔给出了每步反应的活化能。其中氮的吸附解离是速率控制步骤，因此现在合成氨中氮气与氢气的物质的量之比不是理论值1：3，而是氮气略过量，为1：2.8. 10 （四）浓度： ②减少生成物浓度（NH3）：液化分离氨气 二、工业合成氨的适宜条件 液化分离氨气，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。同时应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应。 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 10～30 MPa 温度 400～500 ℃ 催化剂 铁触媒 浓度 ①N2和H2的投料比为1:2.8； ②及时液化分离氨，原料气循环使用 三、合成氨的生产流程 1、原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性。 2、压缩机加压：增大压强 3、热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 4、冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 5、循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。 四、化学反应条件的调控 1、定义:通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 2、考虑实际因素： a. 结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。 b.根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 总结：化学反应的调控 如何为一个化学反应选择适宜的生产条件？ 明确目的 确定反应 原理分析 实验探索 反应速率 化学平衡 设备可行 成本核算 最佳效果 可行性 找条件 影响因素 调控反应 1、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=-198kJ·mol﹣1。（已知催化剂是V2O5，它在400℃～500℃时催化效果最好）下表为不同温度和压强下SO2的转化率(％)：回答1-5题 1×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa 450℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7% 550℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3% 压强/MPa 转化率/% 温度/℃ 16 (1)从理论上分析，为了使SO2尽可能多的转化为SO3，可采取的条件是？ (2)在实际生产中，选定400~500℃作为操作温度，其原因是？ (3)根据上表中的数据分析，制取SO3时为什么不选择高压？ (4)在实际生产中，通入过量空气的目的是？ (5)尾气中有SO2必须回收是为了? 低温、加压。 兼顾速率和平衡，且在此温度下催化剂的活性最高。 在常压下450℃时SO3的平衡转化率（97.5%）就已经很高了，若采用高压，平衡虽正向移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大设备的成本，得不偿失。 增大O2的浓度，使平衡向生成物SO3的方向移动，提高了SO2的转化率。 ①减少对环境的污染。②循环利用，提高原料的利用率。 1×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa 450℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7% 550℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3% 压强/MPa 转化率/% 温度/℃ 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) △H=-198kJ·mol﹣1 17 2、判断正误 （1）温度越高越有利于合成氨反应平衡正向移动。( ) （2）合成氨反应中，压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。( ) （3）使用催化剂能提高合成反应物的平衡转化率。( ) （4）充入的N2越多越有利于NH3的合成。( ) （5）恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。( ) （6）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。( ) × × × × × √ 18 3、有关合成氨工业的说法中,正确的是(　　) A.增大H2的浓度,可提高H2的转化率 B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中会循环使用,所以总体来说氨的产率很高 C.合成氨工业的反应温度控制在400~500 ℃,目的是使化学平衡向正反应方向移动 D.合成氨厂采用的压强是10 MPa~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大 B 19 4、工业上合成氨一般采用400~500 ℃的温度,其原因是 (　　) ①适当提高氨的合成速率　②提高H2的转化率　 ③提高氨的产率　 ④催化剂在500 ℃左右活性最大 A.只有①　　　　　　　 B.只有①② C.②③④ D.只有①④ D 20 5、在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有(　　) ①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容，再充入N2和H2 ⑥恒温恒压，再充入N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用催化剂 A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．②③⑤⑧ C 同样的方法，我们观察这条曲线，是当n(N2):n(H2)≈1:3，400°C下测定的压强与氨的体积分数关系。大家看看实验数据与理论预测是一致的，大量实验证明。其它条件一定时，压强越大越有利于提高平衡混合物中氨含量。 21 6、相同温度下，有体积相同的甲、乙两个容器，甲容器中充入1g N2和1g H2，乙容器中充入2g N2和2g H2，分别进行合成氨反应。下列叙述中不正确的是（ ） A. 化学反应速率：乙＞甲 B. 平衡后的浓度：乙＞甲 C. H2的平衡转化率：乙＞甲 D. 平衡混合气体中的H2体积分数：乙＞甲 D 同样的方法，我们观察这条曲线，是当n(N2):n(H2)≈1:3，400°C下测定的压强与氨的体积分数关系。大家看看实验数据与理论预测是一致的，大量实验证明。其它条件一定时，压强越大越有利于提高平衡混合物中氨含量。 22 7、某温度下，对于反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H= -92.4kJ/mol，N2的平衡转化率(α)与体系总压强(P)的关系如图所示，下列说法正确的是（　　） C A.将1molN2、3molH2，置于1L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4kJ B.平衡状态由A变到B时，平衡常数K(A)＜K(B) C.上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率提高 D.升高温度，平衡向逆反应方向移动，说明逆反应速率增大，正反应速率减小 同样的方法，我们观察这条曲线，是当n(N2):n(H2)≈1:3，400°C下测定的压强与氨的体积分数关系。大家看看实验数据与理论预测是一致的，大量实验证明。其它条件一定时，压强越大越有利于提高平衡混合物中氨含量。 23 巩固练习： 2.4化学反应的调控 $