化學反應的調(diào)控 高二上學期化學人教版（2019）選擇性必修1+

第二章化學反應速率與化學平衡第4節(jié)化學反應的調(diào)控學習目標1、通過工業(yè)合成業(yè)生自條件的選擇與優(yōu)化,認識速率與化學平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)生活、科學研究中作用。2.形成多角度分析化學反應與化工生產(chǎn)條件的思路。

我們對化學反應的調(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;為了延長食物儲存時間，可以將它們保存在冰箱中。下面我們以工業(yè)合成氨生產(chǎn)條件的選擇為例，研究化學反應的調(diào)控問題。合成氨是人類科學技術(shù)的一項重大突破，其反應如下：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H=-92.4kJ/mol環(huán)節(jié)一從速率和平衡兩個角度分析合成氨的條件合成氨是人類科學技術(shù)的一項重大突破，其反應如下：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H=-92.4kJ/mol思考與討論1、原理分析：根據(jù)合成氨反應特點，完成P46頁表格，應選擇怎樣的反應條件？對合成氨反應的影響影響因素濃度溫度壓強催化劑增大氨的合成反應速率提高平衡混合物中氨的含量增大增大增大增大升高降低使用不影響環(huán)節(jié)一從速率和平衡兩個角度分析合成氨的條件思考與討論2、數(shù)據(jù)分析：在工業(yè)合成氨時應選擇哪些反應條件？綜合上述兩個方面，分析增大合成氨的反應速率與提高平衡混合物中氨的含量所應采取的措施是否一致。升高溫度、增大壓強、增大反應物濃度及使用催化劑等，都可以使合成氨的反應速率增大;降低溫度、增大壓強、增大反應物濃度等有利于提高平衡混合物中氨的含量。催化劑可以增大反應速率，但不改變平衡混合物的組成。那么，在實際生產(chǎn)中到底選擇哪些適宜的條件呢?使用鐵觸媒作催化劑溫度：400~500℃壓強:10MPa~30MPa濃度：n(N2):n(H2)=1:2.8，將氨及時分離出來環(huán)節(jié)二結(jié)合工業(yè)實際，理解合成氨的條件3、分析工業(yè)壓強采用10MPa至30MPa的原因，可結(jié)合圖2-11，分析在相同溫度下平衡時氨的體積分數(shù)與壓強的關(guān)系。

理論分析和實驗數(shù)據(jù)分析，合成氨的壓強越大越好。但是，壓強越大，對材料的強度和設備的制造要求就越高，需要的動力也越大，這將會大大增加生產(chǎn)投資，并可能降低綜合經(jīng)濟效益。環(huán)節(jié)二結(jié)合工業(yè)實際，理解合成氨的條件4、結(jié)合圖2-12分析在相同壓強下平衡時氨的體積分數(shù)與溫度的關(guān)系，分析工業(yè)溫度采用400℃至500℃的原因。環(huán)節(jié)二結(jié)合工業(yè)實際，理解合成氨的條件5、思考：催化劑對反應的轉(zhuǎn)化率有沒有影響？在工業(yè)生產(chǎn)中為什么還要加入催化劑？選擇何種催化劑？使用催化劑過程中要注意哪些問題？催化劑對溫度有什么要求？如何保持催化劑的活性？

在高溫高壓下，合成氨的反應仍然進行得十分緩慢，加入催化劑改變反應歷程，降低反應的活化能，使反應物在較低溫度時能較快地發(fā)生反應。目前普遍使用的是以鐵為主體的多成分催化劑，又稱鐵觸媒。催化劑活性與溫度有關(guān)，溫度過高或過低都會降低催化劑活性。鐵觸媒在500℃左右時的活性最大，這也是合成氨一般選擇400~500℃進行的重要原因。另外，為了防止混有的雜質(zhì)使催化劑“中毒”，原料氣必須經(jīng)過凈化。催化劑“中毒”：因吸附或沉積毒物而使催化劑活性降低或喪失的過程。6：由表2-2可以看出，即使是在500℃和30MPa時，合成氨平衡混合物中NH3的體積分數(shù)也只有26.4%，即平衡時N2和H2的轉(zhuǎn)化率仍不夠高。在實際生產(chǎn)中，還需要考慮濃度對化學平衡的影響等。為了提高氨的產(chǎn)率，從濃度角度，我們還可以怎么做？理論值n(N2):n(H2)=1:3實際值n(N2):n(H2)=1:2.8

采取迅速冷卻的方法，使氣態(tài)氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出去，以促使化學平衡向生成NH3的方向移動。循環(huán)利用分離氨后的原料氣，并及時補充氮氣和氫氣，使反應物保持一定的濃度，以利于合成氨反應。環(huán)節(jié)二結(jié)合工業(yè)實際，理解合成氨的條件合成氨原料氣最合適的投料比：環(huán)節(jié)二結(jié)合工業(yè)實際，理解合成氨的條件合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件：使用鐵觸媒作催化劑溫度：400~500℃壓強:10MPa~30MPa濃度：n(N2):n(H2)=1:2.8，將氨及時分離出來小結(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：兼顧速率和平衡，還要考慮動力、材料、設備等。任務三合成氨生產(chǎn)的工藝流程干燥凈化壓縮機加壓10MPa—30MPa熱交換鐵觸媒500℃冷卻N2＋H2N2＋H2N2＋H2NH3＋N2＋H2液態(tài)NH3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：防止催化劑“中毒”而降低或喪失催化活性2、壓縮機加壓：增大壓強3、熱交換：合成氨反應為放熱反應，反應體系溫度逐漸升高，為原料氣反應提供熱量，故熱交換可充分利用能源，提高經(jīng)濟效益。4、冷卻：使氨液化后及時從平衡混合物中分離出來，以促使平衡向生成NH3的方向移動。5、循環(huán)使用原料氣：因合成氨反應為可逆反應，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，并及時補充N2和H2,使反應物保持一定的濃度，以利于合成氨反應，提高經(jīng)濟效益。小結(jié)

影響化學反應進行的因素主要有兩個方面，首先是參加反應的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等本身因素，其次是溫度、壓強、濃度、催化劑等反應條件。

化學反應的調(diào)控，就是通過改變反應條件使一個可能發(fā)生的反應按照某一方向進行。

在實際生產(chǎn)中常常需要結(jié)合設備條件、安全操作、經(jīng)濟成本等情況，綜合考慮影響化學反應速率和化學平衡的因素，尋找適宜的生產(chǎn)條件。此外，還要根據(jù)環(huán)境保護及社會效益等方面的規(guī)定和要求做出分析，權(quán)衡利弊，才能實施生產(chǎn)。練習11.在硫酸工業(yè)中，通過下列反應使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下，反應達到平衡時SO2的轉(zhuǎn)化率。溫度/℃平衡時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，應選擇的條件是（2）在實際生產(chǎn)中，選定的溫度為400~500℃，原因是低溫、高壓溫度較低會使反應速率減小，達到平衡所需時間變長，溫度較高，二氧化硫的轉(zhuǎn)化率會降低。該溫度是催化劑的活性溫度。拓展練習（3）在實際生產(chǎn)中，采用的壓強為常壓，原因是（4）在實際生產(chǎn)中，通入過量空氣，原因是（5）尾氣中的SO2必須回收，原因是因為在常壓下，400~500℃時，SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對設備及動力系統(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，提高SO2的轉(zhuǎn)化率。減少對環(huán)境的污染，提高原料氣SO2利用率。1.在硫酸工業(yè)中，通過下列反應使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下，反應達到平衡時SO2的轉(zhuǎn)化率。溫度/℃平衡時SO2的轉(zhuǎn)化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3課堂小結(jié)冷、熱氣體進行熱交換;用蒸發(fā)成品氨來冷卻離開催化劑的氣體。圖2-14所示為哈伯所用合成氨的實驗裝置。哈伯在此基礎上繼續(xù)進行了大量的實驗研究，于1909年申報了高壓專利，以及用餓作催化劑和用鈾-碳化鈾作催化劑的專利。他發(fā)現(xiàn)，用鍍作催化劑，在17.5MPa~20.0MPa及500~600℃下，氨的含量可超過6%，具備了實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。德國一家公司購買了哈伯的專利，對他的研究及工業(yè)化試驗給予資助，并委任德國化學家博施(C.Bosch，1874-1940)全權(quán)負責該項目的開發(fā)。博施認識到，將此法進行工業(yè)化生產(chǎn)試驗所面臨的問題主要有以下幾個方面?！裨O計獲得大量廉價原料氣體的方法:采用水煤氣(主要成分為H,和CO)作為氫氣的來源;氮氣由液化空氣分離法提供?！駥ふ腋咝В€(wěn)定的催化劑:哈伯推薦的催化劑，由于價格、來源和性能等原因不宜作工業(yè)用。

為了尋找合適的催化劑，博施及其研究組進行了大量的試驗，一直到1922年，共進行了超過2500種配方的20000多次試驗，終于篩選出了合成氨工業(yè)用催化劑。盡管后來不斷地改進，但這種類型的催化劑一直沿用至今。開發(fā)適合高溫、高壓下的合成設備:1910年，用低碳鋼制造的合成反應器無法承受高溫、高壓下氫氣的腐蝕，組建合成氨設備成了關(guān)鍵問題。博施及其研究組經(jīng)過反復試驗，找到了用熟鐵作襯里的辦法。至此，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)難題終于被解決。哈伯完成了合成氨的基礎開發(fā)工作，博施實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化，所以，這種合成氨的工業(yè)方法被稱為“哈伯-博施法"。哈伯因發(fā)明用氮氣和氫氣合成氫的方法獲得1918年諾貝爾化學獎。博施因開發(fā)合成氨采用的高壓方法而獲得了1931年諾貝爾化學獎?？梢哉f，合成氨技術(shù)是