《2.4 第四节 化学反应的调控》参考课件

第四节化学反应的调控第二章化学反应速率和化学平衡学习目标：1.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意义，能讨论化学反应条件的选择和优化。2.能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。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。工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时：ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1，

K＝5.0×108。ΔH＝－92.4kJ·mol－1自发性：常温(298K)下，ΔG=ΔH－TΔS=-192.4+298×0.192=-33.3<0，能自发进行。缩放、熵减反应进行程度较大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℃、20MPa下得到了氨，但是产率只有2%。哈伯合成氨所用装置产率：某种生成物的实际产量与理论产量的比值。产率＝实际产量理论产量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提高平衡时氨的含量(产率)增大合成氨的速率(效率)

(1)原理分析：n(N2):n(H2)≈1:3及时移走产生的氨越低越好越大越好N2(g)+3H2(g)2NH3(g)∆H＝－92.4kJ/mol越大越好越高越好越大越好无影响加快反应速率

(2)数据分析下表中的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量变化情况（初始时氮气和氢气的体积比是1:3）。分析表中数据，结合成成氨反应的特点，讨论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/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.1013.823.131.4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。

升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都可以使合成氨的反应速率增大；降低温度、增大压强、增大反应物浓度等有利于提高平衡混合物中氨的含量。催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。那么，在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？1.压强

原理分析和对实验数据分析均表明，合成氨时压强越大越好。但是，压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，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。目前，我国的合成氨工厂一般采用的压强为10MPa~30MPa。

2.温度

根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温以提高平衡转化率。实验数据也说明了这一点。但是，温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡的需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。因此，需要选择一个适宜的温度。目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃

3.催化剂

即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。通常采用加放入催化剂的方法，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。目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400～500℃进行的重要原因。另外，为了防止混有杂质使催化剂“中毒”，原料必须经过净化。

4.浓度

由表2－2可以看出，即使在500℃和30MPa时，合氨平衡混合物中NH3的体积分数也只为26.4%，即平衡时N2和H2的转化率不够高。

工业上采取迅速冷却的方法，使气态氨液化及时从平衡混合中分离出去，减小生成物浓度，平衡向正向移动，提高氨的产率。此外，为提高经济效益，分离液氨的N2和H2进行循环利用。合成氨常用的生产条件压强:温度：催化剂：浓度：原料气：合成氨工业流程小结一：使用铁触媒400~500℃10MPa~30MPa循环使用将氨液化及时分离小结二：化学反应的调控化学平衡反应速率温度压强催化剂温度压强移走生成物社会因素设备条件安全操作经济成本环境保护社会效益使反应尽可能向着期望方向移动使反应在可控的情况下尽可能快提高单位时间的产率提高反应物平衡转化率化学反应调控选择条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。哈伯(德)（1918年）申请循环法合成氨专利合成氨与三次诺贝尔化学奖博施(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”“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℃、1MPa。弗兰克(德)（1898年）氮气、碳化钙、水蒸气制氨哈伯－博施合成法埃特尔合成氨催化剂表面化学过程模型合成氨机理图①②③④⑤⑥①②⑥③④⑤①N2

(g)+H2

(g)=N2

(吸)+H2(吸)②N2

(吸)+H2(吸)=N(吸)+3H(吸)③N(吸)+3H(吸)=NH(吸)+2H(吸)④NH(吸)+2H(吸)=NH2(吸)+H(吸)⑤NH2

(吸)+H(吸)=NH3(吸)⑥NH3

(吸)=NH3(g)（决速步骤，活化能最大）（吸附）（解吸）N2

(g)+H2

(g)=NH3(g)∆=-46kJ/mol总反应：学习评价：1．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．②③④⑤⑦⑧C．②⑤ D．②③⑤⑧C2．下列事实能用勒夏特列原理解释的是（）A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B．由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深C．5