2.3.4化学反应的调控课件高二上学期化学人教版选择性必修1

第二章

化学反应速率与化学平衡第四节

化学反应的调控【学习任务一】合成氨知识回顾假如你是一个化工厂的老板对工业生产你主要应考虑哪些问题？1.合成氨的应用（固氮）：18世纪末，英国化学家克鲁克斯“先天下之忧而忧”，率先发出为了使子孙后代免于饥饿“向空气要氮肥”的号召。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。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。信息资料【学习任务一】合成氨知识回顾

2.合成氨的反应历程：信息资料N2＋3H2⇌

2NH3合成氨的尝试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验。——都失败了。哈伯合成氨所用装置冷却室反应器出水口干燥室液态NH3出口进水口未反应气体通过循环泵返回压缩N2和H2进口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%。思考：合成氨很难吗？合成氨不容易，难在哪儿？如果是你，你会怎样分析？【交流研讨】工业合成氨时主要考虑的因素？（3）便宜（4）绿色（2）快（1）多即提高平衡混合物里氨的含量——化学平衡问题即提高单位时间里氨的产量——化学反应速率问题降低成本，提高原料利用率。保护环境，对设备的要求。【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)⇌

2NH3(g)已知298K时：ΔH＝－92.4kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·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)焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0。(4)自发性：常温(298K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。1．合成氨反应的特点【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件2．从化学平衡分析合成氨的适宜条件N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1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、提高平衡混合物中按的含量？请填入下表。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反应物浓度增大反应物浓度升高温度降低温度增大压强增大压强使用催化剂无影响【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件~多根据此反应特点分析，什么条件有利于合成氨？外界条件增大NH3的含量化学平衡角度浓度N2、H2NH3温度压强催化剂增大N2、H2的浓度，其物质的量之比为1:3时，NH3的含量最高1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%nN2:nH2及时转移走NH3【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件外界条件增大NH3的含量提高合成NH3的速率化学平衡角度化学速率角度浓度N2、H2NH3压强温度催化剂及时转移走NH3低温高压无影响增大N2、H2的浓度，提高氢气压强更有利于提高反应速率，其物质的量之比应<1:3及时转移走NH3高温高压正催化剂快多增大N2、H2的浓度，其物质的量之比为1:3时，NH3的含量最高【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件达到平衡时平衡混合物中NH3的含量体积分数[n(N2):n(H2)≈1:3]

0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4压强/MPaNH3含量/%温度/℃温度升高，

氨的含量降低压强增大，氨的含量增大【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件（一）压强：合成氨厂一般采用的压强为10MPa~30Mpa。【思考1】合成氨时压强越大越好，为何不采用比30MPa更大的压强?提示：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，这会加大生产投资，可能降低综合经济效益。

压强的选择—成本与效益的博弈【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件【思考2】合成氨采用低温时可提高转化率，但为何未采用更低的温度?

温度的选择—快与少、慢与多的权衡提示：温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长，不经济。升高温度，转化率降低，另外，合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500℃左右活性最大。（二）温度：一般采用的温度为400~500℃。利用水煤气（主要是H2和CO）合成氨反应为什么慢？——活化能高怎样降低反应的活化能？——改变反应历程【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件（三）催化剂：

目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，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，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”,原料气必须经过净化。

使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。3．综合分析合成氨的适宜条件【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件①压强：从化学反应速率与化学平衡考虑，压强越大越好。

实现工业生产：综合成本与设备耐压

10MPa~30MPa。③催化剂：增大化学反应速率，不改变平衡混合物的组成。

实现工业生产：现在常用铁触媒，其活性最好的温度为500℃左右。②温度：低温可以提高平衡混合物中氨的含量，但速率会减小。实现工业生产：综合考虑，温度一般控制400~500℃。

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思考3：在温度与压强的最佳条件下，平衡混合物中氨的含量仍不高，怎么办？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；原料气循环使用。【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件总结合成氨常用的生产条件合成塔氨分离器液氨水冷器循环气体压缩机循环压缩机氢氮混合气❊

n(N2):n(H2)≈1:3❊使用铁触媒催化剂

❊

温度：400~500℃❊

压强:10MPa~30MPa❊

将氨及时分离出来

❊

原料气循环使用干燥净化压缩机加压10MPa~30MPa热交换铁触媒400~500℃冷却WWWWN2+H2N2+H2N2+H2N2+H2N2+H2NH3+N2+H2NH3+N2+H2液态NH3合成氨生产流程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小结：化学反应的调控哈伯（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

“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。

更加节能、降低成本知识拓展平衡时SO2的转化率/%

0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3压强

温度【课本P49页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)

ΔH=-198kJ·mol-1。(已知催化剂是V2O5，在400~500℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%):当堂巩固1.根据化学理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是什么?2.在实际生产中,选定400~500℃作为操作温度,其原因是什么?3.根据上表中的数据分析,制取SO3时为什么不采用高压?4.在生产中,通入过量空气的目的是什么?5.尾气中的SO2必须回收的目的是什么?提示：450℃、10MPa、催化剂。（或者低温、高压）

提示:温度较低，会使反应速率减小，达到平衡的时间长，温度较高，SO2转化率降低；且在此温度下催化剂的活性最高

。提示:在常压下SO2的转化率就已经很高，若采用高压，SO2的转化率升的不明显，对材料强度和设备制造的要求更高，增加成本。提示:增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率。

提示:防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率。

0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3当堂练习(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。()1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)××√×××随堂练习2．合成氨工业的说法中,正确的是(

)A.增大H2的浓度，可提高H2的转化率。B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中会循环使用，所以总体来说氨的产率很高。C.合成氨工业的反应温度控制在400~500℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动。D.合成氨厂采用的压强是10MPa~30MPa,