2.4化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控（課件）高二化學(xué)（人教版2019選擇性必修1）

第二單元化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過(guò)工業(yè)合成氨適宜條件的選擇和優(yōu)化，了解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件。2.了解應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法，體驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異，體會(huì)化學(xué)反應(yīng)原理的應(yīng)用價(jià)值。新課導(dǎo)入

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。

這些是生活中對(duì)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控，實(shí)際對(duì)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控在工業(yè)上的應(yīng)用更為廣泛，我們以工業(yè)合成氨生產(chǎn)條件的為例，來(lái)進(jìn)行研究。任務(wù)一合成氨反應(yīng)條件與原理分析N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)△H＝－92.2kJ?mol-1

?S＝－198.2J?K-1?mol-1請(qǐng)根據(jù)在298K時(shí)合成氨反應(yīng)的焓變和熵變分析：△G=△H－T△S=－33.14kJ·mol－1＜0，可以正向自發(fā)進(jìn)行。

常溫下合成氨不容易進(jìn)行，難在哪兒？如果是你，你會(huì)怎樣分析？

【思考與討論】1.在298K時(shí)合成氨反應(yīng)能否正向自發(fā)進(jìn)行？2.常溫下合成氨很容易進(jìn)行嗎？

18世紀(jì)末，有人試圖在常溫常壓下合成氨，也有人在常溫加壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。——都失敗了1.反應(yīng)原理和特點(diǎn)任務(wù)一合成氨反應(yīng)條件與原理分析合成氨反應(yīng)：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.原理分析對(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N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)ΔH＜0任務(wù)一合成氨反應(yīng)條件與原理分析增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度或減小生成物濃度升高溫度降低溫度增大壓強(qiáng)增大壓強(qiáng)使用催化劑無(wú)影響任務(wù)一合成氨反應(yīng)條件與原理分析3.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。4.結(jié)論分析N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)ΔH＜0任務(wù)一合成氨反應(yīng)條件與原理分析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？【原理分析】壓強(qiáng)越大越好【實(shí)際選用】目前，我國(guó)合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)為10～30MPa?！纠碛伞?.壓強(qiáng)任務(wù)二工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)越大，速率、轉(zhuǎn)化率都大，但對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，需要的動(dòng)力越大，這將會(huì)大大增加生產(chǎn)投資，降低綜合經(jīng)濟(jì)效益?！驹矸治觥康蜏啬芴岣咂胶廪D(zhuǎn)化率，但速率慢，到達(dá)平衡時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益差；高溫溫能提高速率，但轉(zhuǎn)化率小，且催化劑在500℃時(shí)活性最大?！緦?shí)際選用】2.溫度目前，實(shí)際生產(chǎn)一般采用的溫度為400~500℃。任務(wù)二工業(yè)合成氨的適宜條件任務(wù)二工業(yè)合成氨的適宜條件【原理分析】加催化劑可改變反應(yīng)歷程，加快反應(yīng)速率【實(shí)際選用】

目前，普遍使用以鐵為主體成分的催化劑，即鐵觸媒，500℃左右時(shí)活性最大

。3.催化劑為了防止混有的雜質(zhì)使催化劑“中毒”，原料氣必須經(jīng)過(guò)凈化。任務(wù)二工業(yè)合成氨的適宜條件在溫度與壓強(qiáng)的最佳條件下，平衡混合物中氨的含量仍不高，怎么辦？溫度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.1013.823.131.4任務(wù)二工業(yè)合成氨的適宜條件4.濃度圖：NH3的平衡體積分?jǐn)?shù)隨投料比變化的曲線①?gòu)幕瘜W(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1：3時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。②不斷地補(bǔ)充反應(yīng)物或者及時(shí)的分離生成物有利于工業(yè)生產(chǎn)a.迅速冷卻氨氣成液態(tài)并及時(shí)分離b.將氨分離后的原料氣循環(huán)使用，并及時(shí)補(bǔ)充氮?dú)夂蜌錃?，使反?yīng)物保持一定的濃度。外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng)(10～30MPa)溫度適宜溫度，400～500℃催化劑使用鐵觸媒做催化劑濃度N2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶2.8的投料比，氨及時(shí)從混合氣中分離出去，原料氣循環(huán)使用任務(wù)二工業(yè)合成氨的適宜條件N2+H2干燥凈化防止催化劑中毒N2+H2壓縮機(jī)加壓10MPa～30MPaN2+H2熱交換N2+H2鐵觸媒400～500℃N2+H2+NH3冷卻液態(tài)NH3N2+H2+NH3N2+H2增大壓強(qiáng)促使化學(xué)平衡向生成氨氣的方向移動(dòng)原料氣循環(huán)利用，提高原料利用率合成氨的生產(chǎn)流程、、【練習(xí)】1.正誤判斷(1)工業(yè)合成氨的反應(yīng)是ΔH<0、ΔS<0的反應(yīng)，在任何溫度下都可自發(fā)進(jìn)行(2)在合成氨的實(shí)際生產(chǎn)中，溫度越低，壓強(qiáng)越大越好(3)在合成氨中，加入催化劑能提高原料的轉(zhuǎn)化率(4)催化劑在合成氨中質(zhì)量沒(méi)有改變，因此催化劑沒(méi)有參與反應(yīng)(5)增大反應(yīng)物的濃度，減少生成物的濃度，可以提高氨的產(chǎn)率(6)合成氨中在提高速率和原料的轉(zhuǎn)化率上對(duì)溫度的要求是一致的××××√×2.下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說(shuō)法正確的是（

）A.N2的量越多，H2的轉(zhuǎn)化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成B.恒容條件下充入稀有氣體有利于NH3的合成C.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D.工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵減小的放熱反應(yīng)，在常溫時(shí)可自發(fā)進(jìn)行D【練習(xí)】3.在合成氨反應(yīng)中使用催化劑和施加高壓，下列敘述正確的是（

）A.都能提高反應(yīng)速率，都對(duì)化學(xué)平衡無(wú)影響B(tài).都對(duì)化學(xué)平衡有影響，但都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間C.都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，只有施加高壓對(duì)化學(xué)平衡有影響D.使用催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，而施加高壓無(wú)此效果C【練習(xí)】可行性分析分析調(diào)控方法實(shí)驗(yàn)摸索設(shè)備要求、安全操作經(jīng)濟(jì)成本確定最佳條件選取恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)考慮參加反應(yīng)的物質(zhì)

、

和

等本身因素原理分析：化學(xué)平衡反應(yīng)速率盡量增大______，充分利用原料選擇較快的________組成結(jié)構(gòu)性質(zhì)轉(zhuǎn)化率反應(yīng)速率任務(wù)三化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路

選擇化工生產(chǎn)適宜條件的分析角度分析角度原則要求從化學(xué)反應(yīng)速率分析既不能過(guò)快，又不能太慢從化學(xué)平衡移動(dòng)分析既要注意外界條件對(duì)速率和平衡影響的一致性，又要注意二者影響的矛盾性從原料的利用率分析增加易得廉價(jià)原料，提高難得高價(jià)原料的利用率，從而降低生產(chǎn)成本從實(shí)際生產(chǎn)能力分析如設(shè)備承受高溫、高壓的能力等從催化劑的使用活性分析注意催化劑的活性對(duì)溫度的限制在硫酸工業(yè)中，通過(guò)下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)?2SO3(g)

ΔH＝－196.6kJ·mol－1。(已知：催化劑是V2O5，在400～500℃時(shí)催化劑效果最好)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深度思考(1)從理論上分析，為了使二氧化硫盡可能多地轉(zhuǎn)化為三氧化硫，應(yīng)選擇的條件是________________。溫度/℃平衡時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3450℃、10MPa深度思考(2)在實(shí)際生產(chǎn)中，選定的溫度為400～500℃，原因是______________________________________________________________________________________________________________。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在此溫度下，催化劑活性最高。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，SO2的轉(zhuǎn)化率會(huì)降低深度思考(3)在實(shí)際生產(chǎn)中，采用的壓強(qiáng)為常壓，原因是_________________________________________________________________________________________________________________________________。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在常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率就已經(jīng)很高了(97.5%)，若采用高壓，平衡向右移動(dòng)，但效果并不明顯，且采用高壓時(shí)會(huì)增大對(duì)設(shè)備的要求而增大生產(chǎn)成本深度思考(4)在實(shí)際生產(chǎn)中，通入過(guò)量的空氣，原因是____________________________________________。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