2.4 化学反应的调控 课件-2026-2027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”，以工业合成氨的适宜条件为核心案例。课堂导入从灭火、食物储存等生活调控实例切入，结合世界粮食日粮食增产问题，引出合成氨的重要性，搭建从生活实际到工业应用的学习支架。 其亮点在于融合科学思维（通过数据表格分析压强、温度对速率和平衡的影响进行证据推理）、科学探究与实践（详细介绍催化剂研发历程及反应历程步骤），并结合三次诺贝尔化学奖及中国科研进展渗透科学态度与责任。采用案例分析与数据论证的教学方法，帮助学生理解理论与实际的结合，教师可借助此资料提升教学的实践性和深度。

第二章 化学反应速率与化学平衡 第四节　化学反应的调控 情景引入 我们对化学反应的调控并不陌生。 例如，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； 为了延长食物储存时间，可以将它们保存在冰箱中。 每年的10月16日为“世界粮食日” 粮食要如何实现增产呢？ 改良品种 作者编号：35002 合成氨 氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位，其中约有80%氨用来生产化学肥料，主要用于制造氮肥和复合肥料，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥；20%为其它化工产品的原料，如硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需要氨作为原料。 工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。 本节课将以合成氨反应为例，讨论化学反应条件的选择与优化。 任务一 工业合成氨的适宜条件 作者编号：35002 合成氨 德国化学家哈伯向合成氨发起冲击。1908年7月，他在实验室用氮气和氢气在600 ℃、20 MPa下得到了氨，但是产率只有6%。 思考与讨论 如何选择合适的合成氨的生产条件？可以从哪些角度分析？ 工业生产需要考虑的问题 速率 产率 经济 成本 设备 条件 安全条件 任务一 工业合成氨的适宜条件 作者编号：35002 从化学反应速率和化学平衡两个角度，分析合适的调控方法。 反应很慢（破坏氮氮三键需要很高的能量），但升高温度会导致反应 ΔG>0 使得氨气又分解。在1000°C时，合成氨只占到混合气体的0.01，根本没有意义。 提高反应速率 提高转化率 反应条件：浓度、温度、压强、催化剂 任务一 工业合成氨的适宜条件 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？ 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 增大 增大反应物浓度移走氨 升温 降温 增大 增大 正催化剂 不影响 增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致? ①升高温度，氨的含量降低。这与反应速率是矛盾的； ②增大压强，氨的含量增大。这与反应速率是一致的。 任务一 工业合成氨的适宜条件 作者编号：35002 【数据分析】 压强越大，NH3%越大 温度越低，NH3%越大 若追求产率，怎么选条件？ 若追求速率，怎么选条件？ 任务一 工业合成氨的适宜条件 作者编号：35002 压强 问：合成氨工业中一般采用的压强为10-30 Mpa，为什么不采用＞30 Mpa的压强？ 压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，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。 图2-11 400℃下平衡时的体积分数 随压强的变化示意图 压强增大，氨的含量增大，合成氨的反应速率加快。 选择生产条件的原则：既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。 【平衡、速率角度一致】 任务一 工业合成氨的适宜条件 作者编号：35002 温度 问：合成氨工业中一般采用的温度为400-500℃，为什么不采用＜400℃的温度？ 温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长，不经济。 图2-12 10MPa下平衡时氨的体积分数 随温度的变化示意图 升高温度，合成氨的反应速率加快，但氨的含量减小。 选择生产条件的原则：综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适且符合实际需求的生产条件。 任务一 工业合成氨的适宜条件 作者编号：35002 催化剂 问：在高温高压下N2和H2的反应仍然十分缓慢，请提出合适的方法解决上述问题。 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地进行反应。 弗里茨·哈伯：锇或用铀—碳化铀作催化剂 锇：效果好，但储量极少且锇蒸汽有剧毒。铀：价格昂贵 ，性质过于敏感 卡尔 ·博施：寻找廉价、安全、稳定的催化剂。 6500次试验，2500种不同配方，最终选用活化温度700K左右的含铅镁促进剂的铁触媒。 任务一 工业合成氨的适宜条件 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝−92.4 kJ•mol−1 催化剂的选择 普遍使用铁触媒(以铁为主体的多成分催化剂) 图：相同时间内氨的含量与温度、催化剂的关系 ②混有的杂质使催化剂“中毒”， 原料气必须经过净化。 ①铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 任务一 工业合成氨的适宜条件 扩散 → 吸附 → 表面反应 → 脱附 → 扩散 吸附 表面反应 脱附 断键 成键 吸附 脱附 任务一 工业合成氨的适宜条件 理解催化剂作用下的反应历程 扩散 → 吸附 → 表面反应 → 脱附 → 扩散 脱附：NH3(ad) → NH3(g) 吸附：N2(g) → N2(ad) H2(g) → H2(ad) 表面反应： N2(ad) → 2N(ad) H2(ad) → 2H(ad) N(ad) + H(ad) → NH(ad) NH(ad) + H(ad) → NH2(ad) NH2(ad) + H(ad) → NH3(ad) 任务一 工业合成氨的适宜条件 理解催化剂作用下的反应历程 产生了几个小峰，说明发生了几个反应。 决速步骤 1.增加 N2的浓度(分压) ，从而增加N2的吸附浓度，加快决速步骤的反应速率。 2.及时移走生成的NH3，为N2和H2腾出更多可供吸附的催化剂表面空间。 扩散 → 吸附 → 表面反应 → 脱附 → 扩散 理解催化剂作用下的反应历程 任务一 工业合成氨的适宜条件 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝−92.4 kJ•mol−1 浓度的选择 一般采用n(N2)∶n(H2)=1∶2.8 ①从平衡角度分析，n(N2)∶n(H2)=1∶3时，平衡转化率最大，氨气百分含量最多。 但是实验测得适当提高N2的浓度，从而增加N2的吸附浓度，加快决速步骤的反应速率。n(N2)∶n(H2)=1∶2.8时，更能促进氨的合成。 增加 N2的浓度还可以提高H2的转化率 任务一 工业合成氨的适宜条件 图：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线 归纳总结 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 温度 催化剂 浓度 依据设备耐压性及综合指标等因素10-30MPa 依据催化剂活性等因素400-500℃左右 使用铁触媒作催化剂 n(N2)∶n(H2)=1∶2.8，分离氨气 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝−92.4 kJ•mol−1 任务一 工业合成氨的适宜条件 作者编号：35002 问：如何协调温度和催化剂对合成氨反应速率调控的一致性？ 防止催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 催化剂活性 最大 选择生产条件的原则：既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性， 又要注意催化剂活性对温度的限制。 任务一 工业合成氨的适宜条件 "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。 作者编号：35002 知识拓展 合成氨与三次诺贝尔化学奖 哈伯 （1918年） 合成氨的基础开发工 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”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 。 更加节能、降低成本 任务一 工业合成氨的适宜条件 【例题】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 随堂检测 作者编号：35002 作者编号：35002 【例题】据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g) CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是（ ） A.使用Cu­-Zn­-Fe催化剂可大大提高生产效率 B.反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应 C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率 D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率 B ⇌ 随堂检测 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 ℃反应物转化率较高 已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH < 0的实验数据如下表: 随堂检测 (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_____________________________。 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 随堂检测 合成氨常用的生产条件 压强: 温度： 催化剂： 浓度： 原料气： 合成氨工业流程 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 $