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

2.4 化学反应的调控 1.7.2013 各位同学，今天我们进入第二章第三节的学习，探讨化学反应进行的方向。这节课我们将深入了解熵变、焓变以及自由能的概念，掌握判断化学反应自发进行的依据。 ‹#› 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，这些都是我们对化学反应的调控。 工业合成氨的流程和发展 一、合成氨的应用 制尿素 制纯碱 制硝酸 制冷剂 合成氨工业是关系我国国民经济的重要行业，是我国化肥工业的基础，也是传统煤化工的重要组成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡胶等；氨在冶金、机械加工、电子、造纸等行业用途广泛。 合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大成就，在农业、工业生产中具有及其重要的意义，满足了人类的需求。 2NH3 N2 + 3H2 催化剂 高温、高压 如何提高生产效率呢？只要尽力提高化学反应速率生产效率就一定高吗？ 工业生产中的两个关键 ①反应速率：快出产品 ②化学平衡：多出产品 其原理如下： 298 K N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) 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)正反应为放热反应：ΔH<0，熵变：ΔS<0。 (4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行 二、合成氨反应的条件的选择 1. 合成氨反应的特点 2. 请用平衡移动原理判断并解释什么条件有利于合成氨反应正向进行? 实验中发现：室温下将氮气和氢气混合，即使将压强加到实验室所允许的最大压强，较长时间内也几乎得不到氨气! 低温 高压 合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。 但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。 思考：增大压强可以增大反应速率，能使平衡正向移动，所以要一直增大反应压强对吗？ 即使在高温、高压下，合成氨反应仍然进行得十分缓慢。 效果好，但储量极少且锇蒸汽有剧毒。且铀的价格昂贵 ，性质过于敏感 25000多次试验，2500种不同配方，终于筛选出合成氨工业用催化剂铁触媒。 铁触媒 卡尔·博施：寻找廉价、安全、稳定的催化剂 弗里茨·哈伯：锇或用铀—碳化铀作催化剂 目前工业普遍使用铁触媒催化剂，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。该催化剂在500℃左右时的活性最大。这也是合成氨反应一般选择400-500℃进行的重要原因。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。 思考：合成氨反应是可逆反应，原料反应不完全，所以分离氨气之后的废气是直接排放吗？ 1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。 (　　) (2)合成氨反应中,压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。 (　　) (3)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。 (　　) (4)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 ( ) (5)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。 ( ) (6)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行。( ) √ × × × × × 3. 合成氨的适宜条件 (1)压强 ①原理分析：压强越大越好。 ②合成氨时不采用更高压强的理由：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，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。选择生产条件，需要兼顾理论需求与现场实操可行性。 ③选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。 (2)温度 ③选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 ①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。 ②不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。 (3)催化剂 ③选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 ①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 ②选择催化剂的理由：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。 ⑤为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。 ④合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 (4)浓度 298 K N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 n(N2):n(H2) ≈ 1:3时，平衡时氨气体积分数最大，实际使用的比例为1：2.8，让氮气稍微过量 吸附 表面反应 脱附 断键 成键 吸附 脱附 扩散 → 吸附 → 表面反应 → 脱附 → 扩散 4. 理解催化剂作用下的反应历程 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，但是实验测得适当提高N2的浓度，有利于平衡正向移动，提高H2的转化率，同时根据N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。”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。适度过量有利于提高整体反应速率。因此。实际生产选用N2和H2的物质的量比为1: 2.8。 5. 选择工业合成适宜条件的分析角度 分析角度 原则要求 化学反应速率 化学平衡移动 原料的利用率 实际生产能力 催化剂的使用活性 尽量越快越好 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 增加廉价原料，提高高价原料的利用率，从而降低生产成本 如设备承受高温、高压能力等 注意催化剂的活性对温度的限制 温度：400~500℃ 压强：10 MPa~ 30 MPa 催化剂：铁触媒 浓度：增大氮气浓度、液化氨气 (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) N2＋3H2 2NH3 催化剂 高温、高压 (反应速率较快、提高氢气的转化率) 归纳总结合成氨最优条件 干燥净化 N2+H2 N2+H2 压缩机加压 10 MPa~30 MPa N2+H2 热交换 铁触媒 400 ℃~500 ℃ N2+H2 NH3+N2+H2 冷却 液态NH3 NH3+N2+H2 N2+H2 除去水蒸气及其他杂质，防止催化剂“中毒” 循环使用原料气，并不断补充N2和H2，以增加反应物浓度 增大压强 为原料气反应提供热量，充分利用能源，提高经济效益 减小生成物浓度 6.工业生产流程 思考：如果遇到像合成氨反应一样，升高温度不利于产物的生成，但是反应还是要高温，我们该从哪些方面回答为什么高温加热？ 从反应速率角度：升高温度，活化分子百分数增大，有效碰撞概率提高，加快正、逆反应速率，可以缩短反应到达平衡所需时间，提升单位时间产量。 从催化剂角度：催化剂只有在一定温度范围内才有较高催化活性，该温度是催化剂的最佳活性温度。 综合速率与催化剂因素，工业选择高温。 1、干燥、净化：除去原料气中的杂质，防止催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性。 2、压缩机加压：增大压强 3、热交换：合成氨为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 4、冷却：NH3的液化需较低温度，迅速冷却使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离，促使平衡向生成NH3的方向移动。 5、循环使用原料气：因合成氨为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。 哈伯(德)（1918年）申请循环法合成氨专利 博施(德) （1931年） 实现了合成氨的工业化 埃特尔(德) （2007年） 揭开了合成氨的“机理” 弗兰克(德)（1898年）氮 气、碳化钙、水蒸气制氨 哈伯－博施合成法 “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 。 7. 合成氨与诺贝尔化学奖 8. 化学反应调控一般思路 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 工业生产调控的模型建构 如何为一个化学反应选择适宜的生产条件？ 1、如图所示为工业合成氨的流程图。有关说法不正确的是（　） A．步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B．步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以加快反应速率 C．产品液氨除可生产化肥外，还可用作制冷剂 D．步骤③、④、⑤均有利于提高原料平衡的转化率 D N2 H2 ①净化干燥 N2、H2 ②加压 (2×107Pa) ③催化反应 (500℃、催化剂) ④液化 分离 NH3 ⑤N2和H2 再循环 B Lavf58.46.101 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $