2.4化学反应的调控课件2026-2027学年上学期高二化学人教版选择性必修一

第二章 化学反应速率与化学平衡 第二节 化学平衡 2.4 化学反应的调控 学习目标 1、通过工业合成氨适宜条件的选择与优化，认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。 2、在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路，体会化学反应原理的价值。 生活中化学反应的调控 隔离可燃物、隔绝空气或降低温度 延长食物储存时间 粮食危机 民以食为天 改良品种 复合肥 粮食增产 吃不饱 吃的饱 1898年，英国科学家克鲁克斯发出了“向空气要氮肥”的号召 克鲁克斯 【1832.6.17 ～ 1919.4.4】 氮的固定 N2 氮肥 【思考】回顾学过的固氮反应，哪个反应可以实现工业化生产? N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) N2(g) + O2(g) ⇌ 2NO(g) 高能固氮 生物固氮 化学反应 化学反应温度（℃） 平衡常数 （K） 焓变（△H） 熵变（△S） N2(g) + O2(g) ⇌ 2NO(g) 25 3.8 × 10-31 +90.25 kJ/mol +124 J/(mol ∙ K) N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 25 5 × 108 -92.2 kJ/mol -198.2 J/(mol ∙ K) ① NH3可以进一步转化为NH4+、NO3-被植物吸收和利用 ② 该反应原料来源丰富 ③ 合成氨反应△H ＜ 0、△S ＜ 0，低温下反应能自发进行 ④ 该反应在常温下反应限度较大 【思考】回顾学过的固氮反应，哪个反应可以实现工业化生产? 工业合成氨的历程 【思考】如何调控反应条件使它满足工业化生产的要求呢? 一、化学反应的调控 N2(g) + 3H2(g) ⇋2NH3(g) △H = -92.4 kJ/mol 【思考】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 升高 增大 使用 增大 降低 增大 无影响 合成氨反应是放热的、气体体积缩小的可逆反应 不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量（体积分数） 温度 / ℃ 氨的含量 / % 0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa 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 9.10 13.8 23.1 31.4 一、化学反应的调控 N2(g) + 3H2(g) ⇋2NH3(g) △H = -92.4 kJ/mol 【思考】分析表中数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？ 温度相等时，压强越大，平衡时氨的含量越高 压强相等时，温度越高，平衡时氨的含量越低 一、化学反应的调控 N2(g) + 3H2(g) ⇋2NH3(g) △H = -92.4 kJ/mol 1、压强 【思考】合成氨工业中一般采用的压强为10 Mpa ～ 30 Mpa，为什么不采用 ＞ 30 Mpa的压强？ 压强增大，合成氨的反应速率加快，氨的含量增大 ★ 平衡、速率角度一致 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，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 一、化学反应的调控 N2(g) + 3H2(g) ⇋2NH3(g) △H = -92.4 kJ/mol 2、温度 【思考】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？ 升高温度，合成氨的反应速率加快，氨的含量减小 ★ 平衡、速率角度矛盾 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 ★ 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 一、化学反应的调控 N2(g) + 3H2(g) ⇋2NH3(g) △H = -92.4 kJ/mol 3、催化剂 【思考】在高温高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢，请提出合适的方法解决上述问题？ 加入催化剂，合成氨的反应速率加快，氨的含量不变 可以加入合适的催化剂，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发生反应 弗里茨 ∙ 哈伯：用锇或铀 — 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700 K左右的含铅镁促进剂的“铁触媒” 一、化学反应的调控 N2(g) + 3H2(g) ⇋2NH3(g) △H = -92.4 kJ/mol 3、催化剂 铁触媒 ① 铁触媒在500 ℃左右时的活性最大 ② 防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 一、化学反应的调控 N2(g) + 3H2(g) ⇋2NH3(g) △H = -92.4 kJ/mol 4、浓度 【思考】在500 ℃和30 Mpa的最佳条件下，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，即平衡时N2和H2的转化率仍不够高，为什么？ 增大浓度，合成氨的反应速率加快，氨的含量增大 ★ 平衡、速率角度一致 ① 从化学平衡的角度分析，当N2和H2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，从而增加N2的吸附浓度，加快决速步骤的反应速率。即N2和H2的物质的量比为1 : 2.8时，更能促进氨的合成 ② 采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动，且还可以为N2和H2腾出更多可供吸附的催化剂表面空间 一、化学反应的调控 N2(g) + 3H2(g) ⇋2NH3(g) △H = -92.4 kJ/mol 防止催化剂中毒 增大压强 催化剂活性最大 分离产物 原料循环再利用 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 【思考】总结工业生产中调控化学反应的一般思路和方法？ 化学反应 理论层面 反应方向 可自发 反应速率 优先考虑催化剂 反应限度 温度、浓度、压强等 实践层面 设备、成本、耗能等 循环工艺 大大提高转化率 思想观念 “绿色化学”、可持续发展 1、已知2SO2(g) + O2(g) ⇋2SO3(g) △H < 0的实验数据如下表: 温度 不同压强下SO2的转化率（%） 1 × 105 Pa 5 × 105 Pa 1 × 106 Pa 5 × 106 Pa 1 × 107 Pa 450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 （1）应选择的温度是 ，理由是 。 （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 。 450 ℃ 该反应是放热反应，升高温度，转化率降低，在450 ℃时反应物转化率较高 1 × 105 Pa 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，且需要更大的动力，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 理解催化剂作用下的反应历程 吸附 表面反应 脱附 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 决速步骤 吸附：N2(g) → N2(ad) H2(g) → H2(ad) 表面反应： ① N2(ad) → 2N(ad) H2(ad) → 2H(ad) ② N(ad) + H(ad) → NH(ad) ③ NH(ad) + H(ad) → NH2(ad) ④ NH2(ad) + H(ad) → NH3(ad) 脱附：NH3(ad) → NH3(g) “合成氨”中的中国人 2016年，中国科学院大连化学物理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 ℃、1 MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破，为发展节能的催化剂提供了新的思路。 合成氨工业发展历史与技术历程 Lavf58.20.100 $