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

第四节 化学反应的调控 第二章 化学反应速率与化学平衡 1 学习目标 1.了解合成氨的发展历程，知道合成氨反应的特点，反应条件对反应速 率和化学平衡的影响。 2. 理解合成氨反应条件选择的依据，掌握合成氨的适宜条件，包括温 度、压强、催化剂和浓度等。 3. 掌握化工生产中调控反应的一般思路，包括考虑反应的可行性、化学平衡、反应速率、设备可行性和成本核算等方面。 新课导入 降温以此延长储存时间 刷油漆以此防锈 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? 工业合成氨的流程和发展 20世纪初，世界人口激增，有机肥料已经无法满足土壤对氮肥的需求。氮肥的化工生产提上了日程。 克鲁克斯的话在整个欧洲激起万丈波澜。报纸争先报道，知识分子热烈讨论。“氮问题”成为智力阶层和寻常百姓共同关注的问题。 如何合成氨，这是许多化学家关注的重大课题 。 4 每年的10月16日为“世界粮食日” 粮食增产 吃不饱 吃的饱 要知道世界上还有很多人在挨饿，那么如何使粮食增产呢？ 禾下乘凉梦 改良品种 世界粮食日 肥料 合成氨——提供氮肥 20世纪最重要的发明之一 一、合成氨的工业发展历程 5 1874年，卡尔·博施生于德国科隆。24岁时毕业于莱比锡大学，获有机化学博士学位。 1908年～1913年，卡尔·博施改进哈伯首创的高压合成氨催化方法，利用氧化铁型催化剂，使合成氨生产工业化，化学上称为"哈伯——博施法"。 1940年，因找到合适的催化剂，使合成氨反应成为工业化，也因此获得诺贝尔化学奖。 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、合成氨的工业发展历程 探·知识奥秘 1908年7月，哈伯在实验室用氮气和氢气在600 ℃、20 MPa下得到了氨，但是产率极低，只有6% 从合成氨发展历程来看，合成氨过程非常不易，请根据所学内容来思考工业合成氨生产条件的选择? 一、合成氨的工业发展历程 探·知识奥秘 合成氨的确不容易！100年来，已有三位科学家因研究合成氨获得诺贝尔化学奖。他们当中最早的一位是哈伯，1908年7月，他在实验室用氮气和氢气在600℃、20 MPa下得到了氨，产率只有2%。但这却是工业合成氨的开端。 7 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 反应进行的方向 化学反应的速率 化学平衡(限度) 生产的可行性问题 一、合成氨的工业发展历程 探·知识奥秘 寻找工业合成氨的适宜条件 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 二、 寻找合成氨的适宜条件 9 2. 工业合成氨的适宜条件 二、 寻找合成氨的适宜条件 工业合成氨时主要考虑的因素？ （3）便宜 （4）绿色 （2）快 （1）多 即提高平衡混合物里氨的含量——化学平衡问题 即提高单位时间里氨的产量——化学反应速率问题 降低成本，提高原料利用率。 保护环境，对设备的要求。 3、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 二、 寻找合成氨的适宜条件 4、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 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。 二、 寻找合成氨的适宜条件 若追求产率，怎么选条件？ 若追求速率， 怎么选条件？ 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？ 5、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 二、 寻找合成氨的适宜条件 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 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/% 三、 合成氨工业条件的选择 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。 3、催化剂 铁触媒 三、合成氨工艺条件的选择 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。 N2与 H2在催化剂表面合成氨的反应历程如图所示。 吸附 表面反应 脱附 扩散 → 吸附 → 表面反应 → 脱附 → 扩散 1. 加入催化剂之后，活化能大大降低; 2. 加入催化剂之后，产生了几个小峰，说明发生了几个反应。 三、合成氨工艺条件的选择 探·知识奥秘 实际分析：增大氮气浓度，N2和H2的投料比为1∶2.8，及时移除氨气，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 【思考与讨论】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？ 三、合成氨工艺条件的选择 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 5.合成氨生产的工艺流程 三、合成氨工艺条件的选择 6. 合成氨的适宜条件总结 温度： 压强： 催化剂： 浓度： (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) 400~500℃ 10 MPa~ 30 MPa 铁触媒 增大氮气浓度、液化氨气 N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 三、合成氨工艺条件的选择 随堂检测 1. 1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大 满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程 图，其中为提高原料转化率而采取的措施是（ ） A. ①②③ B. ②④⑤ C. ①③⑤ D. ②③④ B N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 2.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 随堂检测 A 1. 定义：就是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. 考虑因素：在实际生产中常常需要结合设备条件、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。此外，还要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。 四、化学反应的调控 四、化学反应的调控 3、控制反应条件的目的 (1)促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。 (2)抑制有害的化学反应：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。 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？ 4. 工业生产调控的模型建构 四、化学反应的调控 随堂检测 1、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 C、低温，低压 D、高温，高压，催化剂 B 2. 合成氨工业中,原料气(N2,H2及少量的CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用 乙酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO,其反应为 [Cu(NH3)2]++CO+NH3 [Cu(NH3)3CO]+　ΔH<0。下列说法错误的是（ ） A. 必须除去原料气中的CO原因是防止催化剂中毒 B. 吸收CO的生产适宜条件:适当温度、加压,压强越大越好 C. 吸收CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生,恢复其吸收CO的能 力以供循环使用,再生的适宜条件为高温、低压 D. 合成氨工业中,采用循环操作,主要是为了提高N2和H2的利用率 随堂检测 C 27 随堂检测 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) △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。 【例1】结合图1、2、3，分析焙烧过程中最佳的焙烧温度、焙烧时间、m(NH4Cl)/m(菱锰矿粉)分别为________、________、________。 【解题方法】 1. 图像1分析：在 500℃时，锰的浸出率已经较高，再升高温度，锰的 浸出率变化不大，但是生产成本提高了。 2.最佳条件选择规律：一般选择相对高的点，也要考虑成本。 500℃ 60min 1.10 补充练习——最佳条件选择 1.下图是在一定时间内，使用不同催化剂Mn和Cr在不同温度下对应的脱氮率，由图可知工业使用的最佳催化剂为________、相应温度为________ ；使用Mn作催化剂时，脱氮率b～a段呈现如图变化的可能原因 。 升高温度，反应速率较快（或随着温度的升高，催化剂活性增大） Mn 200℃ 补充练习——最佳条件选择 2.根据下图判断提高脱硝效率的最佳条件是_________________ 氨氮比一定时，在400 ℃时，脱硝效率最大其可能的原因 是 。 400 ℃ 氨氮物质的量之比为1 答题思路： 出现催化剂，要考虑温度对催化剂活性的影响 应从催化剂活性和反应速率角度答题。 400 ℃时，催化剂活性最大 同时400 ℃时，温度较高，反应速率较快。 补充练习——最佳条件选择 3.（2025甘肃）乙炔加氢是除去乙烯中少量乙炔杂质，得到高纯度乙烯的重要方法。该过程包括以下两个主要反应： 反应1：C2H2(g)+H2(g)=C2H4(g) 反应2：C2H2(g)+2H2(g)=C2H6(g ) (2)一定条件下，使用某含Co催化剂，在不同温度下测得乙炔转化率和产物选择性（指定产物的物质的量/转化的乙炔的物质的量)如图所示(反应均未达平衡)。 在60~220℃范围内，乙炔转化率随温度升高而增大的原因为 ____________________________________________________________(任写一条)，当温度由 220℃升高至 260℃， 乙炔转化率减小的原因可能为_____________________________________________________。 温度升高，反应速率加快或温度升高，催化剂活性增强 催化剂在该温度范围内失活 补充练习——最佳条件选择 Lavf58.46.101 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $