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（2019）选择性必修1

该高中化学课件以化学反应调控为核心，通过“学-产-研”一体化探究，从合成氨工业切入，引导学生分析反应可行性（方向、速率、平衡），结合“交流与讨论”设计产业方案，搭建从理论到工业应用的学习支架。 其亮点在于融合科学思维与科学探究，通过对比自然固氮与人工固氮方案，分析合成氨温度、压强等条件选择，培养证据推理与模型建构能力。结合诺贝尔化学奖及中国科研进展，渗透科学态度与责任，助力学生理解化学与工业的联系，为教师提供真实情境教学素材。

学-产-研一体化探究 化学反应的调控 在之前的课程中，我们学习到：一个化学反应受到多种因素的影响，改变条件，从而会改变其化学反应速率或平衡状态。今天，我们将进一步学习其在生产生活中的实际应用。 一、化学反应工业化的可行性 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 二、产业方案设计 【交流与讨论】化肥是农作物实现高产的重要因素之一，其中氮肥是使用广泛的肥料之一。如果你是一名的科学家，你会选择怎样的原料和合成方案？ 理由？ 自然固氮 雷电/大气/高能固氮 N2(g)＋O2(g) ==== 2NO(g) H＝＋180.5 kJ•mol-1 工业合成氨 人工固氮 N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) H＝－92.2 kJ•mol-1 S＝－198.2 J•mol-1•k-1 K=4.1×106（298K） 高温下反应能自发进行 ΔH>0 ΔS>0 低温下反应能自发进行 ΔH<0 ΔS<0 S＝＋124J•mol-1•k-1 K=3.8×10-31（298K） 二、产业方案设计 【反应条件】合成氨反应有什么样的特点？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(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ∆H = -92.4 kJ/mol 反应条件的选择 动力学：反应速率快 热力学：反应限度大 1、温度 2、压强 3、催化剂 4、浓度 5、··· ··· 三、合成氨工业生产的条件 【思考与讨论】在合成氨的工业生产中常采用的温度为400~500℃，这是为什么呢？ 温度对平衡体系的影响 C(N2)/ (mol/L) 温度/℃ 平衡时各组分浓度/(mol/L) 转化率/% 到达平衡的时间/s N2 H2 NH3 1 200 0.160 0.480 1.680 84.0 29040 1 300 0.195 0.585 1.610 80.5 5783 1 400 0.224 0.672 1.552 77.6 2408 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：1) 温度降低，反应速率减小，达到平衡时间变长，工业生产的经济效益低； 2) 且反应过程中铁触媒催化剂达到最佳催化性能的温度在500℃左右。 ③结论：目前，一般采用的温度为400 ~500 ℃。 三、合成氨工业生产的条件 【思考与讨论】在合成氨的工业生产中常采用的压强为10~30MPa，这是为什么呢？ 提示：压强越大，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。如在合成氨工艺中，压强超过30 MPa，H2会与设备钢中的碳反应，使钢瓶破裂。 会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益 20%~40% 我国的合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30MPa 压强的选择—成本与效益的博弈 三、合成氨工业生产的条件 【思考与讨论】在合成氨的工业生产中常采用铁触媒材料作催化剂，这是为什么呢？ 铁触媒催化剂（以铁为主体的多成分催化剂）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。 合成氨反应常用的催化剂 催化剂 适宜温度/℃ 特点 锇 (Os) 600~700 价格昂贵，且其氧化物还易挥发 铁基催化剂 400~500 价格低廉，稳定性好 钌基催化剂 低温 活性远超铁基催化剂。反应条件温和，转化率更高，但稳定性差 三、合成氨工业生产的条件 【思考与讨论】在500 ℃和30 MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数仍只有26.4%。如何进一步提高氨的转化率? N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＜0 高温高压 催化剂 ① 适当增加N2浓度（浓度比-1：2.8） ② 分离出NH3（迅速冷却、液化）以促使平衡正向移动； ③ 应将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充反应物使反应物浓度保持1：2.8 n(N2)∶n(H2)≈1∶3，NH3产率最高 三、合成氨工业生产的条件 工业合成氨的适宜条件： 温度：400~500℃ 压强：10 ~ 30 MPa 催化剂：铁触媒 浓度：增大N2浓度、分离NH3、循环原料气 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＜0 高温高压 催化剂 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 化学平衡 反应速率 社会和环境效益 工业生产调控的模型建构： 四、科技创新 哈伯（1918年） 合成氨的基础开发工作 合成氨与三次诺贝尔化学奖 博施（1931年） 实现了合成氨的工业化 埃特尔（2007年） 揭开了合成氨的“天机” 合成氨和中国人：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℃、1MPa 。 更加节能、降低成本 【交流与讨论】如果你是一名的科学家，合成氨工业还可以如何进一步创新？ (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： 五、理解应用 1. 在硫酸工业中，2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g) ΔH=-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： 低温高压 温度较低会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长，温度较高，二氧化硫的转化率会降低。该温度是催化剂的活性温度。 (3)在实际生产中，采用的压强为常压，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，提高原料气SO2利用率。 (5)尾气中的SO2必须回收，原因是： (4)在实际生产中，通入过量空气，原因是： 2. 氢能是一种极具有发展潜力的清洁能源。下列反应是目前大规模制取氢气的方法之一，CO(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+H2(g) ΔH=-41.2kJ/mol。 (1)在生产中，欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，可采取哪些措施？ 增加水蒸气的浓度或者及时将CO2移出。 投入CaO可吸收CO2，c(CO2)减小，使生成H2的反应正向移动，H2的体积分数增大。 若投入纳米CaO时，纳米CaO颗粒小，表面积大，反应速率加快，所以H2百分含量增大。 (3)实验发现，其他条件不变，在相同时间内，向上述体系中投入一定量的CaO可以明显提高H2的体积分数。对比实验的结果如右图所示。请思考：投入CaO时，H2的体积分数为什么会增大？微米CaO和纳米CaO对平衡的影响为何不同？ (2)在容积不变的密闭容器中，将2.0 mol CO与8.0 mol H2O混合加热到830℃发生上述反应，达到平衡时CO的转化率是80%。计算该反应的平衡常数。 K=c(CO2)∙c(H2)/c(CO)∙c(H2O)=1 五、理解应用 $