第二章第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控 課件-高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1

化學(xué)反應(yīng)調(diào)控我們對(duì)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控并不陌生。例如，為了滅火，可以采取隔離可燃物、隔絕空氣或降低溫度等措施；為了延長(zhǎng)食物儲(chǔ)存時(shí)間，可以將它們保存在冰箱中。以工業(yè)合成氨生產(chǎn)條件的選擇為例，研究化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控問(wèn)題N2+3H22NH3△H<0

溫度（℃）25350400450600700平衡常數(shù)4.1×1061.8470.5070.1520.0092.6×10－3

合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化資料1資料2思考：根據(jù)以上信息，從化學(xué)反應(yīng)的方向角度（298K時(shí)）和化學(xué)反應(yīng)的限度角度分析工業(yè)合成氨的可行性？N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)△H＝－92.2kJ?mol-1

?S＝－198.2J?K-1?mol-1ΔH－TΔS＝－92.2kJ·mol-1＋298K×198.2×10-3kJ·k－1·mol－1，因?yàn)棣-TΔS<0，298K下合成氨反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)K=4.1×106（mol·L-1)-2當(dāng)平衡常數(shù)K＞105時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行得較完全。可見(jiàn)，298K即25℃時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)進(jìn)行得很完全。任務(wù)一判斷工業(yè)合成氨的可行性任務(wù)二合成氨實(shí)驗(yàn)條件的選擇理論分析——合成氨反應(yīng)有什么樣的特點(diǎn)？應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中按的含量？請(qǐng)?zhí)钊胂卤?。?duì)合成氨反應(yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強(qiáng)催化劑增大合成氨的反應(yīng)速率提高平衡混合物中氨的含量增大反應(yīng)物濃度升高降低增大增大使用催化劑無(wú)影響N2(g)+3H2(g)2NH3(g)?H＝－92.4kJ/mol增大反應(yīng)物濃度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壓強(qiáng)（MPa）溫度（℃）氨的平衡含量（%）n(N2):n(H2)≈1:3催化劑：鐵觸媒采用控制變量的方法結(jié)論：①升高溫度，氨的含量

；這與反應(yīng)速率是

的。②增大壓強(qiáng)，氨的含量

；這與反應(yīng)速率是

的。數(shù)據(jù)分析——任務(wù)二合成氨實(shí)驗(yàn)條件的選擇降低相矛盾增大一致與理論預(yù)期一致從化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率兩個(gè)角度來(lái)綜合分析，在工業(yè)生產(chǎn)中什么樣的條件才是最好的呢？請(qǐng)參考下列圖表內(nèi)容進(jìn)行分組討論。已知：1.壓強(qiáng)大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求高，需要的動(dòng)力越大，將大大增大生產(chǎn)投資，合成氨壓強(qiáng)在10MPa~30Mpa能達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益。2.催化劑可以使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬(wàn)億倍，催化劑要在一定溫度下催化活性最大。3.10MPa~30Mpa400~500℃鐵觸媒催化能力200400600800任務(wù)三工業(yè)合成氨適宜條件的分析研討的內(nèi)容研討的問(wèn)題1.既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好？壓強(qiáng)怎么定？2.既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？溫度怎么定？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壓強(qiáng)（MPa）溫度（℃）氨的平衡含量（%）任務(wù)三工業(yè)合成氨適宜條件的分析資料：下圖為合成氨原料氣投料比與平衡時(shí)NH3體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系問(wèn)題1：

合成氨原料氣最合適的投料比？問(wèn)題2：為了提高氨的產(chǎn)率，從濃度角度，我們還可以怎么做？任務(wù)三工業(yè)合成氨適宜條件的分析n(N2):n(H2)≈1:3采取迅速冷卻的方法，使氣態(tài)氨變成液氨后及時(shí)從平衡混合物中分離出去，以促使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。小結(jié)：工業(yè)生產(chǎn)中：一般需要使用催化劑：可以大大加快反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率。選擇合適溫度：兼顧速率和平衡,且在此溫度下催化劑的活性最高。選擇合適壓強(qiáng)：兼顧速率和平衡，還要考慮動(dòng)力、材料、設(shè)備等。合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件：使用鐵觸媒作催化劑溫度：400~500℃壓強(qiáng):10MPa~30MPa濃度：n(N2):n(H2)≈1:3，將氨及時(shí)分離出來(lái)任務(wù)三工業(yè)合成氨適宜條件的分析任務(wù)四合成氨生產(chǎn)的工藝流程分析工藝流程中各步操作的作用？（提示：催化劑遇雜質(zhì)易降低活性）1、原料氣干燥、凈化：2、壓縮機(jī)加壓：3、熱交換：4、冷卻：5、循環(huán)使用原料氣：防止催化劑“中毒”而降低或喪失催化活性增大壓強(qiáng)合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)體系溫度逐漸升高，為原料氣反應(yīng)提供熱量，故熱交換可充分利用能源，提高經(jīng)濟(jì)效益。使氨液化后及時(shí)從平衡混合物中分離出來(lái)，以促使平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。因合成氨反應(yīng)為可逆反應(yīng)，平衡混合物中含有原料氣，將NH3分離后的原料氣循環(huán)利用，并及時(shí)補(bǔ)充N(xiāo)2和H2,使反應(yīng)物保持一定的濃度，以利于合成氨反應(yīng)，提高經(jīng)濟(jì)效益。干燥凈化壓縮機(jī)加壓10MPa—30MPa熱交換鐵觸媒500℃冷卻N2＋H2N2＋H2N2＋H2NH3＋N2＋H2液態(tài)NH32.原理分析。根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，利用影響反應(yīng)速率的因素和勒夏特列原理分析增大反應(yīng)速率、提高原料轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。1.選取恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)：考慮反應(yīng)的方向和限度3.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定適宜條件的范圍及催化劑的篩選。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況、經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保要求等最終確定適宜的條件。哈伯：鋨（劇毒）作催化劑、17.5MPa~20.0MPa、500~600℃、氨含量6%博施：鐵作催化劑、開(kāi)發(fā)了適合高溫、高壓下的合成設(shè)備、設(shè)計(jì)了獲得大量廉價(jià)原料氣的方法?；どa(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路6500次試驗(yàn)，2500種不同配方，最終選用活化溫度700K左右的含鉛鎂促進(jìn)劑的鐵催化劑原料用量n(N2):n(H2)：理論值為1:3實(shí)際為1:2.8埃特爾：在合成氨反應(yīng)初期，氮、氫分子被吸附在鐵催化劑表面。進(jìn)而確定吸附的氮原子和氫原子是反應(yīng)活性物，整個(gè)反應(yīng)就是氮原子逐步加氫最終生成氨分子的過(guò)程，并給出了每步反應(yīng)的活化能。氮?dú)庠诖呋瘎┥系奈椒纸馑杌罨茏罡??；どa(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路哈伯（1918年）合成氨的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)工作5.不斷技術(shù)創(chuàng)新合成氨與三次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)博施（1931年）實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化埃特爾（2007年）揭開(kāi)了合成氨的“天機(jī)”“合成氨”里的中國(guó)人：2016年中科院大連化學(xué)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)研制合成了一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強(qiáng)分別降到了350℃、1MPa。更加節(jié)能、降低成本1.在硫酸工業(yè)中，通過(guò)下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)?2SO3(g)△H＝－196.6kJ/mol。

下表列出了在不同溫度和壓強(qiáng)下，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率。溫度/℃平衡時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3（1）從理論上分析，為了使SO2盡可能多轉(zhuǎn)化為SO3，應(yīng)選擇的條件是（2）在實(shí)際生產(chǎn)中，選定的溫度為400~500℃，原因是低溫、高壓溫度較低會(huì)使反應(yīng)速率減小，達(dá)到平衡所需時(shí)間變長(zhǎng)，溫度較高，二氧化硫的轉(zhuǎn)化率會(huì)降低。該溫度是催化劑的活性溫度。拓展練習(xí)（3）在實(shí)際生產(chǎn)中，采用的壓強(qiáng)為常壓，原因是（4）在實(shí)際生產(chǎn)中，通入過(guò)量空氣，原因是（5）尾氣中的SO2必須回收，原因是因?yàn)樵诔合拢?00~500℃時(shí)，SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對(duì)設(shè)備及動(dòng)力系統(tǒng)要求高，加大了成本和能量消耗，不適宜。增大氧氣的濃度，使平衡向生成SO3的方向移動(dòng)，提高SO2的轉(zhuǎn)化率。減少對(duì)環(huán)境的污染，提高原料氣SO2利用率。1.在硫酸工業(yè)中，通過(guò)下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)?2SO3(g)△H＝－196.6kJ/mol。

下表列出了在不同溫度和壓強(qiáng)下，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率。溫度/℃平衡時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3拓展練習(xí)2.氫能是一種極具有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。下列反?yīng)是目前大規(guī)模制取氫氣的方法之一。CO(g)＋H2O(g)?CO2(g)＋H2(g)△H＝－41.2kJ/mol（1）在生產(chǎn)中，欲使CO的轉(zhuǎn)化率提高，同時(shí)提高H2的產(chǎn)率，可采取哪些措施？（2）在容積不變的密閉容器中，將2.0molCO與8.0molH2O混合加熱到830℃

發(fā)生上述反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率是80%。計(jì)算該反應(yīng)的平衡常數(shù)。（3）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其他條件不變，在相同時(shí)間內(nèi)，向上述體系中投入一定量的CaO可以明