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

该高中化学课件围绕“化学反应的调控”，以工业合成氨为核心案例，从生活防腐、冰箱保存等实例导入，衔接合成氨发展历程、可行性分析及反应条件选择，构建从生活到工业、理论到实践的学习支架。 其亮点在于融合科学思维与科学探究，通过合成氨温度对速率和平衡的矛盾分析、数据表格对比不同条件下氨含量，结合硫酸工业等多案例练习，培养学生“理论-实践-效益”的化学观念，助力教师实施核心素养导向教学，提升学生解决实际问题能力。

2.4 化学反应的调控 生活有许多人类对化学反应的调控示例： 降温以此延长储存时间 降低温度以此灭火 刷油漆以此防锈 实际对化学反应的调控在工业上的应用更为广泛 化工生产中，对化学反应的调控，应该注意哪些问题呢? 下面我们以工业合成氨生产条件的选择为例，研究化学反应的调控问题。 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 1898年，英国科学家克鲁克斯发出了“向空气要氮肥”的号召 【思考】如果将合成氨原理投入化工生产，如何为工厂设计合成氨的条件？可以从哪些方面来考虑？ (1)生产的可行性 (4)原料 (5)设备、安全等 (3)快 (2)多 (6)综合经济效益 即提高氨的含量——化学平衡（限度）问题 即提高单位时间里氨的产量 ——化学反应速率问题 化学反应的方向问题 效益最大化：经济效益和社会效益(好) N2: 空气中分离（液化，蒸发）； H2: 煤、焦炭与水蒸气 C+H2O(g)=CO+H2 固氮的可行性分析 1. 从反应的方向性视角 (1)自然固氮 N2＋O2 2NO 放电或高温 ΔH＝＋180.5 kJ/mol ΔS＝＋25.0J/(mol·K) (2)人工固氮 N2＋3H2 2NH3 高温、高压 催化剂 ΔH＝－92.2 kJ/mol ΔS＝－198.1 J/(mol·K) ΔH＞0 ΔS＞0 高温下反应能自发进行 ΔH＜0 ΔS＜0 低温下反应能自发进行 固氮的可行性分析 2. 从反应限度视角 N2(g) + O2(g) 2NO(g) 常温 K＝5×10－31 (1)自然固氮 (2)人工固氮 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 常温 K＝5.0×108 【理论分析】人工固氮合成氨在常温下可以自发，平衡常数大， 反应进行程度大，具有可实行性 3.合成氨的可行性 18世纪末，有人试图在常温常压下合成氨，也有人在常温加压下进行实验，都失败了 1909年7月建成的实验装置每小时生产90 g氨 哈勃制氨的产率约为6% 理论分析合成氨的反应条件 1. 合成氨的反应特点 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) (1)自发性： (2)可逆性： (3)熵变： (4)焓变： 常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行 反应为可逆反应 ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应 ΔH<0，是放热反应 理论分析合成氨的反应条件 2. 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 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 【思考】根据合成氨反应的特点，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？ c(反)增大 升高 增大 使用催化剂 降低 无影响 c(反)增大 或c(生)减小 增大 理论分析合成氨的反应条件 3. 合成氨的数据分析 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。 一定条件下，按反应物的化学计量数之比投料，平衡时生成物的百分含量最高 实验数据表明应采取的措施与理论一致。 理论分析合成氨的反应条件 4. 合成氨反应的结论分析 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ/mol ①升高温度，化学反应速率加快，氨的含量降低 两者矛盾 ②增大压强，化学反应速率加快，氨的含量增大 两者一致 那么实际生成中到底选择哪些适宜的条件呢？ 5. 合成氨反应工艺条件的选择 ①注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性和矛盾性 ②注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性，又要注意催化剂活性对温度的要求 ③既要注意理论上的要求，还要考虑化工生产中动力、材料和设备条件 合成氨工艺条件的选择 1. 压强 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 ①原理分析： 合成氨时压强越大越好 ②实际分析： 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 合成氨工艺条件的选择 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/% 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： 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 ℃。 合成氨工艺条件的选择 3.催化剂 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 铁触媒 【注意】需防止原料气中混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 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。 合成氨工艺条件的选择 在500℃、30MPa条件下，氨的平衡体积分数只有26.4% 即平衡时N2和H2转化率不够高 在实际生产中， 还要考虑浓度 对化学平衡的影响 合成氨工艺条件的选择 4.浓度 ①从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大 ②不断地补充反应物或者及时的分离生成物有利于工业生产 a.迅速冷却氨气成液态并及时分离 b .将氨分离后的原料气循环使用， 并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度。 但是实验测得适当提高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。 合成氨工艺条件的选择 【总结】 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ/mol 压强：10 MPa~ 30 MPa 反应速率较快、平衡正向移动 温度：400~500℃ 反应速率较快、催化剂活性较大 催化剂：铁触媒 反应速率较快，缩短到达平衡时间 浓度：N2和H2的投料比为1:3、及时分离氨、原料气循环使用。 反应速率较快、提高氢气的转化率 到目前为止，氨的合成实现工业化生产已经100多年了，使用的催化剂和当初开发的依然类似。据统计，全世界在合成氨工业上消耗的能源占全人类能源消耗的1%~2%。 为了降低合成氨的能耗，人们一直试图对合成条件进行优化。 2016年，中国科学院大连物理化学研究所的研究团队研制了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350℃、1MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破，为发展更加节能的催化剂提供了新的思路 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” 合成氨与三次诺贝尔化学奖 调控化学反应的一般思路 1.确定反应，了解反应特点 2. 应用速率、平衡理论，调控反应 3. 综合生产实际，优化反应条件 (1)反应速率：既不能过快，又不能太慢 (2)化学平衡：既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性 (1)增加易得廉价原料，提高难得高价原料转化率；②原料的循环利用 (2)实际生产能力：能耗，设备承受高温、高压能力等 (3)催化剂：对温度的限制，对原料纯度的要求（防中毒） (4)环保：减小污染物的排放，尾气的回收和处理 课堂练习 【课本】P51 1. 合成氨工业中采用循环操作，主要是为了（ ） A.增大化学反应速率 B.提高平衡混合物中氨的含量 C.降低氨的沸点 D. 提高氮气和氢气的利用率 2. 在密闭容器中，通入a molN2和b molH2，在一定条件下反应达到平衡时，容器剩余c molN2。 (1)达到平衡时，生成NH3的物质的量为_______________ (2)达到平衡时，H2的转化率为_______________ (3)若把容器的容积减小到原来的1/2，则正反应速率_________(填“增大”“减小”或“不变”，下同)，逆反应速率_________，N2的转化率_________ D 2(a-c)mol 3(a-c) b ×100% 增大 增大 增大 课堂练习 【课本】P51 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) Δ H ＝﹣199.6 kJ/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% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 (1)从理论上分析，使SO2尽可能多、尽可能快地转化为SO3，应选择的条件是________________ 低温、高压 (2)在实际生产中，选定450 ℃，其原因是__________________________ _______________________________________________________________ 温度较高，反应物转化率降低；此温度下催化剂的活性最高。 温度较低，反应速率减小，耗时长； 课堂练习 【课本】P51 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) Δ H ＝﹣199.6 kJ/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% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 (3)在实际生产中，采用的压强为常压，其原因是________________ 0.1 MPa(常压)下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，不仅SO2的转化率提高很少，且需要更大动力，对设备的要求更高，增加成本。 课堂练习 【课本】P51 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) Δ H ＝﹣199.6 kJ/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% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 (4)在实际生产中，通入过量的空气，其原因是______________________ 增大O2浓度，提高SO2的 转化率 (5)尾气中的SO2必须回收，其原因是______________________ SO2有毒，防止污染环境； 提高原料利用率 课堂练习 【课本】P51 4.在合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前需经过铜氨液处理，目的是除去其中的CO，其反应为： [Cu(NH3)2]+ + CO + NH3 [Cu(NH3)3CO]+ Δ H ＜0 (1)铜氨液吸收CO适宜的条件是____________________ (2)吸收CO的铜氨液经过适当处理可再生，恢复其吸收CO的能力，可循环利用。铜氨液再生适宜的生产条件是____________________ 低温、高压 高温、低压 课堂练习 【课本】P51 5.氢能是一种极具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) Δ H =-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？ 增大H2O浓度、降温 课堂练习 【课本】P51 5.氢能是一种极具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) Δ H =-41.2kJ/mol (2)在容积不变的密闭容器中，将2.0molCO与8.0molH2O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。 【解】设反应容积为1L， 依题可知CO浓度变化量为 2×80%=1.6mol/L CO(g) + H2O(g) ⇌CO2(g) + H2(g) c始/mol·L-1 2 8 0 0 △c/mol·L-1 1.6 1.6 1.6 1.6 c末/mol·L-1 0.4 6.4 1.6 1.6 1.6×1.6 0.4×6.4 K ＝ ＝ 1 课堂练习 【课本】P51 5.氢能是一种极具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) Δ H =-41.2kJ/mol (2)实验发现，在其他条件不变，相同时间内，向上述体系投入一定量的CaO可以增大 H2的平衡体积分数。对比实验的结果如右图所示。 请思考：投入时CaO，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？ CaO与 CO2反应，使平衡正向移动，H2体积分数增大 微米CaO比纳米CaO的比表面积小，吸收CO2略少，导致H2体积分数略小 例1 在合成氨时，既要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施 有( )。 C ①减小压强 ②增大压强 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容下，再充入等量的 和 ⑥恒温恒压下，再充入等量的和 ⑦及时分离产生的 ⑧使用铁触媒 A.①④⑤⑦ B.②③④⑤⑦⑧ C.②⑤ D.②③⑤⑥⑧ [解析] 要使氨的产率增大，就要使平衡右移，增大压强、降低温度、增大和 的 浓度和及时分离产生的 均可达到目的；要使化学反应速率增大，增大压强、升高 温度、增大和 的浓度和使用铁触媒均可达到目的，故②⑤符合题意。 课堂练习 【课本】P51 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 28 例2 对于可逆反应 ，下列研究目的和示意 图相符的是( )。 A B C D 研究目 的 压强对反应的影响 温度对反应 的影响 恒容时，向平衡体系中 通入 对反应的影响 催化剂对反应 的影响 图示 ___________________________ ____________________________ _______________________________ ____________________________________ 课堂练习 【导学】P52 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 29 1.在反应 的平衡体系中，当恒温 恒压条件下时刻分离出 时，下列说法正确的是( )。 D A. 时刻后的速率变化如图所示 B.时刻后反应达到新平衡前 C.新平衡体系中 的含量增大 D. 的平衡转化率增大 课堂练习 【导学】P53 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 30 2.工业合成氨的流程如图所示。图中为提高原料转化率而采取的措施是( )。 C A.①②③ B.①③⑤ C.②④⑤ D.②③④ 课堂练习 【导学】P53 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 31 3.工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯 。在容积固定的密闭容器中，投入等 物质的量的和，测得相同时间内 的转化率随温度变化如图实线所示 （图中虚线表示相同条件下 的平衡转化率随温度的变化）。下列说法不合理的是 ( )。 C A.适当增大压强可增大甲醇的平衡转化率 B.点反应速率： C.反应速率为，平衡常数为 D.生产时反应温度控制在 为宜 课堂练习 【导学】P53 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 32 4.已知：。起始反应物为和 （物质的量之比为，且总物质的量不变）。 的平衡转化率随温度和压强的变化 如下表，下列说法不正确的是( )。 压强/ 1.01 5.07 10.1 25.3 50.7 B A.一定压强下降低温度， 的转化率增大 B.在不同温度、压强下，转化相同物质的量的 所需要的时间相等 C.使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间 D.工业生产通常不采取加压措施是因为常压下 的转化率已相当高 课堂练习 【课本】P51 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 33 $