化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控 【備課精講精研】 高二化學(xué) 課件（人教版2019選擇性必修1+）

1、通過(guò)工業(yè)合成氨適宜條件的選擇與優(yōu)化認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡綜合調(diào)控在生產(chǎn)生活和科學(xué)研究中的重要作用。2、在合成氨適宜條件的討論中，形成多角度分析化學(xué)反應(yīng)和化工生產(chǎn)條件的思路，體會(huì)化學(xué)反應(yīng)原理的應(yīng)用價(jià)值。合成氨反應(yīng)中化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡綜合調(diào)控。形成多角度調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的思路。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。1、合成氨的應(yīng)用（固氮）：18世紀(jì)末，英國(guó)化學(xué)家克魯克斯“先天下之憂(yōu)而憂(yōu)”，率先發(fā)出為了使子孫后代免于饑餓“向空氣要氮肥”的號(hào)召。一、工業(yè)合成氨N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)已知298K時(shí)：ΔH＝－92.4kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。

(1)可逆性：反應(yīng)為可逆反應(yīng)。(2)體積變化：正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)。(3)焓變：ΔH<0，熵變：ΔS<0。(4)自發(fā)性：常溫(298K)下，ΔH－TΔS<0，能自發(fā)進(jìn)行。

2、合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)1、合成氨的原理分析：據(jù)合成氨反應(yīng)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、提高平衡混合物中氨的含量？對(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

增大增大升溫降溫增大增大正催化劑不影響N2(g)＋3H2(g)?

2NH3(g)

ΔH＝－92.4kJ·mol－1思考與討論2、合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析：下表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在不同溫度、壓強(qiáng)下，平衡混合物中氨的含量的變化情況(初始時(shí)氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比是1：3)。溫度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.4若追求速率，怎么選條件？若追求產(chǎn)率，怎么選條件？壓強(qiáng)越大，NH3%越大。溫度越低，NH3%越大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明應(yīng)采取的措施與理論一致。思考與討論①升高溫度，氨的含量降低，化學(xué)反應(yīng)速率加快。兩者矛盾；②增大壓強(qiáng)，氨的含量增大，化學(xué)反應(yīng)速率加快。兩者一致。那么實(shí)際生成中到底選擇哪些適宜的條件呢？3、合成氨反應(yīng)的結(jié)論分析：N2(g)＋3H2(g)?

2NH3(g)

ΔH＝－92.4kJ·mol－1思考與討論1、壓強(qiáng)①原理分析：合成氨時(shí)壓強(qiáng)越大越好；②實(shí)際分析：但壓強(qiáng)大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求就越高，需要的動(dòng)力也越大，這將會(huì)大大增加生產(chǎn)投資，并可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。③結(jié)論：目前，一般采用的壓強(qiáng)為10MPa~30MPa。二、尋找工業(yè)合成氨的適宜條件

400℃下平衡時(shí)氨的體積分?jǐn)?shù)隨壓強(qiáng)的變化示意圖壓強(qiáng)/MPaNH3的體積分?jǐn)?shù)/%80604020406080100200①原理分析：根據(jù)平衡移動(dòng)原理，合成氨應(yīng)采用低溫以提高平衡轉(zhuǎn)化率。②實(shí)際分析：但溫度降低會(huì)使反應(yīng)速率減小，達(dá)到平衡時(shí)間變長(zhǎng)，這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)濟(jì)的。③結(jié)論：目前，一般采用的溫度為400~500℃。二、尋找工業(yè)合成氨的適宜條件2、溫度90200溫度／℃4003006005008070604030502010010MPa下平衡時(shí)氨的體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化示意圖NH3的體積分?jǐn)?shù)/%

①原理分析：使用催化劑能改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)活化能，使反應(yīng)物在較低溫度時(shí)能較快地進(jìn)行反應(yīng)。目前合成氨工業(yè)中普遍使用的是鐵觸媒。②實(shí)際分析：鐵觸媒在500℃左右時(shí)活性最大，這也是合成氨一般選擇400~500℃進(jìn)行的重要原因?；煊械碾s質(zhì)使催化劑“中毒”，原料氣必須經(jīng)過(guò)凈化二、尋找工業(yè)合成氨的適宜條件3、催化劑鐵觸媒①原理分析：為提高平衡轉(zhuǎn)化率，工業(yè)上采取迅速冷卻的方法，使氨氣變成液氨并及時(shí)分離減小生成物濃度，平衡向正向移動(dòng)，提高氨的產(chǎn)率。②實(shí)際分析：分離后的原料氣N2和H2，并及時(shí)補(bǔ)充循環(huán)使用，使反應(yīng)物保持一定的濃度。二、尋找工業(yè)合成氨的適宜條件4、濃度綜上所述，工業(yè)上通常采用鐵觸媒、400～500℃、10～30Mpa、N2和H2的投料比為1∶2.8，及時(shí)分離氨，原料氣循環(huán)使用。哈伯（1918年）合成氨的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)工

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)”合成氨與三次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

“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、降低成本知識(shí)拓展三、合成氨工業(yè)流程1、干燥、凈化：除去原料氣中的雜質(zhì)，防止催化劑“中毒”而降低或喪失催化活性。2、壓縮機(jī)加壓：增大壓強(qiáng)干燥凈化N2+H2液態(tài)NH3壓縮機(jī)加壓10MPa~30MPa鐵觸媒400~500℃冷卻熱交換N2+H2N2+H2N2+H2N2+H2NH3+N2+H2NH3+N2+H2三、合成氨工業(yè)流程4、冷卻：NH3的液化需較低溫度，迅速冷卻使氣態(tài)氨變成液氨后及時(shí)從平衡混合物中分離，促使平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。干燥凈化N2+H2液態(tài)NH3壓縮機(jī)加壓10MPa~30MPa鐵觸媒400~500℃冷卻熱交換N2+H2N2+H2N2+H2N2+H2NH3+N2+H2NH3+N2+H23、熱交換：合成氨為放熱反應(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。三、合成氨工業(yè)流程干燥凈化N2+H2液態(tài)NH3壓縮機(jī)加壓10MPa~30MPa鐵觸媒400~500℃冷卻熱交換N2+H2N2+H2N2+H2N2+H2NH3+N2+H2NH3+N2+H25、循環(huán)使用原料氣：因合成氨為可逆反應(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。1、影響化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的因素（1）內(nèi)因：參加反應(yīng)的物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等本身因素；（2）外因：溫度、壓強(qiáng)、濃度、催化劑等反應(yīng)條件。四、化學(xué)反應(yīng)條件的控制2、化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控（1）含義：通過(guò)改變反應(yīng)條件使一個(gè)可能發(fā)生的反應(yīng)按照某一方向進(jìn)行。（2）考慮實(shí)際因素

a、結(jié)合設(shè)備條件、安全操作、經(jīng)濟(jì)成本等情況，綜合考慮影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素，尋找合適的生產(chǎn)條件。

b、根據(jù)環(huán)境保護(hù)及社會(huì)效益等方面的規(guī)定和要求做出分析，權(quán)衡利弊，才能實(shí)施生產(chǎn)。明確目的可行性確定反應(yīng)原理分析實(shí)驗(yàn)摸索找條件設(shè)備可行成本核算如何為一個(gè)化學(xué)反應(yīng)選擇適宜的生產(chǎn)條件？影響因素調(diào)控反應(yīng)化學(xué)平衡反應(yīng)速率最佳效果化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控(1)溫度越高越利于合成氨反應(yīng)平衡正向移動(dòng)。(

)(2)合成氨反應(yīng)中,壓強(qiáng)越大越利于增大反應(yīng)速率和平衡正向移動(dòng)。(

)(3)使用催化劑能提高合成氨反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率。(

)(4)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 ()(5)恒容條件下充入稀有氣體有利于NH3的合成。 ()(6)工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵增加的放熱反應(yīng)，在任何溫度下都可自發(fā)進(jìn)行。()練習(xí)1、判斷正誤(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)××√×××練習(xí)3、有關(guān)合成氨工業(yè)的說(shuō)法中,正確的是(

)A、增大H2的濃度,可提高H2的轉(zhuǎn)化率B、由于氨易液化,N2、H2在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)循環(huán)使用,所以總體來(lái)說(shuō)氨的產(chǎn)率很高C、合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在400~500℃,目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)D、合成氨廠(chǎng)采用的壓強(qiáng)是10MPa~30MPa,因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大B練習(xí)4、有平衡體系:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

ΔH<0。為了增加甲醇(CH3OH)的產(chǎn)量,應(yīng)采取的正確措施是(

)A、高溫，高壓B、適宜溫度，高壓，催化劑C、低溫，低壓D、高溫，高壓，催化劑B練習(xí)5、工業(yè)上合成氨一般采用400~500℃的溫度，其原因是(

)①適當(dāng)提高氨的合成速率②提高H2的轉(zhuǎn)化率③提高氨的產(chǎn)率④催化劑在500℃左右活性最大A、只有①

B、只有①②

C、②③④

D、只有①④D練習(xí)6、在一定條件下，可逆反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反應(yīng)是放熱反應(yīng))達(dá)到平衡,當(dāng)單獨(dú)改變下列條件后,有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是(

)A、加催化劑,v(正)、v(逆)都發(fā)生變化且變化的倍數(shù)相等B、加壓,v(正)、v(逆)都增大，且v(正)增大的倍數(shù)大于v(逆)增大的倍數(shù)C、降溫,v(正)、v(逆)都減小，且v(正)減小的倍數(shù)小于v(逆)減小的倍數(shù)D、等容條件下加入氬氣，v(正)、v(逆)都增大，且v(正)增大的倍數(shù)大于v(逆)增大的倍數(shù)D

練習(xí)7、某工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生反應(yīng):2A(g)+B(g)2M(g)

ΔH<0。下列有關(guān)該工業(yè)生產(chǎn)的說(shuō)法正確的是(

)A、工業(yè)上合成M時(shí)，一定采用高壓條件,因?yàn)楦邏河欣贛的生成B、若物質(zhì)B價(jià)廉易得，工業(yè)上一般采用加入過(guò)量的B以提高A和B的轉(zhuǎn)化率C、工業(yè)上一般采用較高溫度合成M，因溫度越高,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高D、工業(yè)生產(chǎn)中常采用催化劑，因?yàn)樯a(chǎn)中使用催化劑可提高M(jìn)的日產(chǎn)量D

1×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.5%99.2%99.6%99.7%550℃85.6%94.9%97.7%98.3%壓強(qiáng)

溫度轉(zhuǎn)化率練習(xí)8、

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)

ΔH=-198kJ·mol-1。(已知催化劑是V2O5,在400~500℃時(shí)催化效果最好)下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%):1、根據(jù)化學(xué)理論分析,為了使二氧化硫盡可能轉(zhuǎn)化為三氧化硫，應(yīng)選擇的條件是什么?2、在實(shí)際生產(chǎn)中,選定400~500℃作為操作溫度,其原因是什么?提示:低溫、高壓。

提示:兼顧速率和平衡,且在此溫度下催化劑的活性最高。

1×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.5%99.2%99.6%99.7%550℃