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，以合成氨工业为核心案例，通过生活调控实例（如刷油漆防锈、降温储存）和工业需求导入，衔接反应速率与化学平衡知识，搭建从理论分析到工业实践的学习支架。 其亮点在于融合化学史（哈伯-博施法发展）、数据实证（ΔG、K值及不同条件氨含量表格）和生产流程解析，培养科学思维（证据推理、模型建构）与科学探究能力。通过理论与实际条件的矛盾分析（如低温热力学有利但速率慢），帮助学生理解调控的综合考量，提升解决实际问题能力，也为教师提供丰富教学素材。

第二章 化学反应速率与化学平衡 第四节　 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? 情景导入 20世纪初，世界人口激增粮食缺乏，有机肥料已经无法满足土壤对氮肥的需求。英国物理学家克鲁克斯率先发出“向空气要氮肥”的号召。 【思考1】循环图中哪个过程可以在工业生产中实现固氮？ N2+O2 2NO 放电或高温 ========= N2 + 3H2 2NH3 高温、高压 催化剂 历史背景 必修二第12页 固氮的可行性分析 N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH = −92.4 kJ·mol-1 298K，101kPa 时，ΔS = −198.2 J·mol-1·K-1 N2(g) + O2(g) ⇌ 2NO(g) ΔH = +180 kJ·mol-1 298K，101kPa 时，ΔS = +24.8 J·mol-1·K-1 ΔG = ΔH − TΔS = −33.3 kJ·mol-1 ΔG = ΔH − TΔS = +172.6 kJ·mol-1 【思考2】结合数据分析，反应可以自发进行吗？哪个反应更适合工业固氮？ 正向进行的程度大 低温下可自发进行 高温下可自发进行 【思考3】结合下表分析哪个反应更适合工业固氮？ 固氮的可行性分析 【思考4】为什么该反应K值很大，实际反应时却需要苛刻的条件呢？ N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH = −92.4 kJ·mol-1 K=5×108 N N 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℃时，合成氨只占到混合气体的0.01，根本没有意义。 ΔG = ΔH − TΔS 理论分析反应条件 1. 合成氨的反应特点 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ΔH = −92.4 kJ·mol-1 ΔS = −198.2 J·mol-1·K-1 (1)自发性： (2)可逆性： (3)熵变： (4)焓变： 常温(298 K)下，ΔG = 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) ΔH = −92.4 kJ·mol-1 【思考5】根据合成氨反应的特点，如何选择反应条件以增大反应速率、 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 实验数据表明应采取的措施与理论一致。 【思考6】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？ 1. 生产的可行性 4. 原料 5. 高压导致的设备成本、高温导致的能源成本等 3. 快 2. 多 6. 安全生产 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 理论分析反应条件 实践探寻反应条件 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 原理分析： 实际分析： 合成氨时压强越大越好 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，会增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 结论： 目前，一般采用的压强为10 MPa~30 MPa 实践探寻反应条件 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 低温以提高平衡转化率 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。 目前，一般采用的温度为400 ~500 ℃ NH3的体积分数/% 原理分析： 实际分析： 结论： 实践探寻反应条件 铁触媒在500℃催化活性最大 效果好，但储量极少，且有剧毒 锇 铀 铀价格昂贵，性质过于活泼 1909年哈伯 1922年博施 经过2500种配方，2万多次试验 铁触媒 催化活性高，原料易得，性质稳定 相同时间内氨的含量与 温度、催化剂的关系 3. 催化剂 【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。 “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。 实践探寻反应条件 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 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 实践探寻反应条件 4.浓度 (1)在n(N2):n(H2)=1：3时，平衡转化率最大。 (3)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，使反应物保持一定浓度。 (2)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。 防止催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 发生反应 “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。 使气态氨液化， 分离产物 反应放热 原料循环利用 增大压强 利用反应放出的热量预热原料气 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。 $