【人教版】高中化學(xué) 選擇性必修一 第二章 第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控 課件(共16張PPT)

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吳彥

化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控

第二章化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡

第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控

一、創(chuàng)設(shè)情境，任務(wù)驅(qū)動

有人想創(chuàng)建一座合成氨工廠，如何根據(jù)所學(xué)提出建議？

從哪些方面考慮合成氨工廠生產(chǎn)技術(shù)的可行性？

原料的獲得、反應(yīng)原理的選擇、設(shè)備的要求、工業(yè)副產(chǎn)品的處理、環(huán)境保護(hù)

二、合成氨反應(yīng)的原料

如何獲得合成氨的原料？

方法評價

分離液態(tài)空氣法將空氣液化、蒸發(fā)分離出N2非常便宜、純凈、規(guī)模大、產(chǎn)率高

將空氣中的O2與碳作用生成CO2，除去CO2后得到N2產(chǎn)生溫室氣體

天然氣制氫氣清潔環(huán)保、價格較低、技術(shù)成熟、可作為燃料

電解法制氫氣成本高

電解飽和鹽水與氯堿工業(yè)聯(lián)合建廠，互惠互利

煤氣化獲得氫氣：煤在高溫下和水反應(yīng)生成CO和H2成本低、易獲得

三、合成氨反應(yīng)的限度

工業(yè)合成氨的反應(yīng)為：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。

1.已知在298K時：ΔH=-92.2kJ·mol-1ΔS=-198.2J·K-1·mol-1

分析在298K時合成氨反應(yīng)能否正向自發(fā)進(jìn)行。

2.利用化學(xué)平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成。

降低溫度、增大壓強(qiáng)將有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向。

平衡混合物中氨的含量與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系

四、合成氨反應(yīng)的速率

1.可以通過控制哪些反應(yīng)條件來提高合成氨反應(yīng)的速率？

2.實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)濃度的關(guān)系式為：

υ=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)

式中各物質(zhì)的濃度對反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？

3.根據(jù)表2-4-1所給數(shù)據(jù)分析催化劑對合成氨反應(yīng)的速率的影響。

條件Ea/(kJ·mol)

無催化劑3353.4×1012(700K)

使用鐵催化劑167四、合成氨反應(yīng)的速率

研究投料比

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H1:3。

從速率角度看，合成氨反應(yīng)的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系式是v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)，適當(dāng)提高氮?dú)?、氫氣濃度，有助于增大反?yīng)速率，縮短反應(yīng)時間。

四、合成氨反應(yīng)的速率

催化劑資料

鋨是哈伯使用的催化劑，在700℃時活性最大。

鐵是合成氨工業(yè)中廣泛使用的催化劑，具有價格低廉、穩(wěn)定性好等特點。制備方法：以磁鐵礦和鐵為主要原料，添加各類助劑化合物，經(jīng)電阻爐熔煉后再冷卻、破碎篩分成不同顆粒的鐵催化劑，最好的熔鐵催化劑應(yīng)該只有一種鐵氧化物（單相性原理），任何兩種鐵氧化物的混雜都會降低催化活性。

釕催化劑：由于在低溫、低壓等溫和的條件下具有較高的活性，被譽(yù)為第二代氨合成催化劑，但在合成氨過程中，釕和助劑會使催化炭載體發(fā)生甲烷化反應(yīng)，影響釕催化劑的穩(wěn)定性，從而對釕催化劑的工業(yè)化應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。此外，釕較高的價格也是催化劑工業(yè)化應(yīng)用的一大障礙。

合金型催化劑被認(rèn)為是最有希望成為繼熔鐵催化劑和釕催化劑之后的新一代氨合成催化劑。

復(fù)合型氫化物材料在催化合成氨研究方面取得重要進(jìn)展，提出了“雙活性中心”催化劑設(shè)計理論，開發(fā)了過渡金屬-氫化鋰復(fù)合催化劑體系，實現(xiàn)了氨的低溫催化合成。

對于合成氨反應(yīng)中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒，但利用純凈的氫、氮混合氣體通過中毒的催化劑時，催化劑的活性又能恢復(fù)，因此這種中毒是暫時性中毒。工業(yè)上為了防止催化劑中毒，要把反應(yīng)物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設(shè)備，提高成本。因此，研制具有較強(qiáng)抗毒能量的新型催化劑，是未來的發(fā)展方向。

合成氨常用鐵觸媒（以鐵為主，混合催化劑），鐵觸媒在500℃時活性最大，結(jié)合溫度組和壓強(qiáng)組討論的結(jié)果，確定合成氨溫度在400-500℃。

四、合成氨反應(yīng)的速率

工業(yè)合成氨的催化歷程

工業(yè)上，氮?dú)馀c氫氣合成氨的反應(yīng)是在催化劑表面上進(jìn)行的。這是一個復(fù)雜的過程，一般要經(jīng)歷反應(yīng)物擴(kuò)散至催化劑表面、吸附在催化劑表面、發(fā)生表面反應(yīng)、產(chǎn)物從催化劑表面脫附、產(chǎn)物擴(kuò)散離開反應(yīng)區(qū)等五個步驟。

四、合成氨反應(yīng)的速率

1.第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制總反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟。為保證氮?dú)庹加幸欢ǚ蓊~的催化劑活性中心并提高吸附速率，應(yīng)適當(dāng)提高氮?dú)獾谋壤?，即不是達(dá)到最大平衡轉(zhuǎn)化率要求的n(N2)∶n(H2)=1∶3，而是n(N2)∶n(H2)=1∶2.8。

2.為了提高氨的脫附速率，以空出活性中心供繼續(xù)合成氨使用，必須降低反應(yīng)后混合氣體中氨的比例，適時地將氨從反應(yīng)后的混合氣體中分離出來。

五、合成氨生產(chǎn)的適宜條件

1.根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點，應(yīng)分別采取什么措施提高該反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率？將有關(guān)建議填入下表中。

提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率提高反應(yīng)的速率反應(yīng)特點措施反應(yīng)特點措施

放熱活化能高

正向反應(yīng)分子數(shù)減小低溫時反應(yīng)速率低

反應(yīng)可逆原料氣濃度增大能提高反應(yīng)速率

氨氣濃度增大能降低反應(yīng)速率

五、合成氨生產(chǎn)的適宜條件

溫度25℃350℃400℃450℃600℃700℃

K4×1061.8470.5070.1520.0092.6×10-3

溫度/℃NH3含量——壓強(qiáng)/Mpa0.110203060100

20015.381.586.489.995.498.8

3002.252.064.271.084.292.6

4000.425.138.247.065.279.8

5000.110.619.126.442.257.5

6000.054.59.113.823.131.4

c(N2)/（mol/L）溫度/℃活化能/（kJ/mol）平衡時各組分濃度/（mol/L）到達(dá)平衡的時間/s

N2H2NH31200500.1600.4801.68029040

1300500.1950.5851.6105783

1400500.2240.6721.5522408

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五、合成氨生產(chǎn)的適宜條件

壓強(qiáng)資料

壓強(qiáng)大有利于提高轉(zhuǎn)化率和速率，但是對設(shè)備和能耗有要求。有研究表明，壓強(qiáng)超過200Mpa時，不使用催化劑，氨便可以順利合成。但缺點是太大的壓強(qiáng)需要的動力就大，對設(shè)備材料的要求也會增高。根據(jù)合成氨雙層塔的構(gòu)造和抗壓抗溫原理，高壓條件下小分子H2與設(shè)備鋼中碳反應(yīng)，使鋼瓶破裂，因此工業(yè)生產(chǎn)中壓強(qiáng)不能超過30Mpa。過去追求產(chǎn)率，合成氨壓力由低壓向高壓發(fā)展，現(xiàn)在從降低能耗的角度又向低壓發(fā)展，目前已經(jīng)成功運(yùn)用15Mpa，10Mpa正在試驗中，這樣既可以做到電耗最低，又能確保合成的效率。

根據(jù)反應(yīng)器可使用鋼材的質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)，大致分為低壓（1×107Pa）、中壓（2×107～3×107Pa）和高（8.5×107～1×108Pa）三種類型；通常采用氮?dú)馀c氫氣物質(zhì)的量之比為1∶2.8的投料比。在中壓工藝條件下，合成氨廠出口氣中的氨含量一般為13%～14%。

五、合成氨生產(chǎn)的適宜條件

合成氨的條件：

壓強(qiáng)：10-30MPa；催化劑：鐵；溫度：400-500℃

N2：H2物質(zhì)的量之比為1:2.8；液氨加壓或降溫及時分離

合成氨工業(yè)生產(chǎn)流程示意圖

五、合成氨生產(chǎn)的適宜條件

未來的合成氨工廠是什么形式的？

新型催化劑（生物固氮催化劑）；創(chuàng)建一些副產(chǎn)品工廠——CO2

常溫常壓合成氨氣；進(jìn)行根瘤菌的提取。

合成氨工業(yè)