高中化學(xué)第2章化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率2.4化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化課件7魯科版選修

復(fù)習(xí)影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些?化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)平衡溫度氣體壓強催化劑濃度溫度越高,反應(yīng)速率越大壓強越大,反應(yīng)速率越大正催化劑加快反應(yīng)速率反應(yīng)物濃度越大,反應(yīng)速率越大升高溫度,平衡向吸熱方向移動增大壓強,平衡向氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的方向移動催化劑對平衡無影響增大反應(yīng)物濃度,平衡正向移動弗里茨·哈伯：

弗里茨·哈伯與合成氨

合成氨從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了約150年的時間。德國科學(xué)家哈伯在10年的時間內(nèi)進行了無數(shù)次的探索，單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑，2年間他們就進行了多達6500次試驗，測試了2500種不同的配方，最后選定了一種合適的催化劑，使合成氨的設(shè)想在1913年成為工業(yè)現(xiàn)實。鑒于合成氨工業(yè)的實現(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院于1918年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學(xué)獎?！窘涣鳌ぱ杏憽亢铣砂狈磻?yīng)是一個可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1

△S=-198.2J·K-1·mol-1請根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進行？298K下合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)K為４.１×１０６（mol·L-1)-2書P65合成氨反應(yīng)的特點：①可逆反應(yīng)③正反應(yīng)氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減?、苷磻?yīng)是放熱反應(yīng)②熵減小的反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H

＝-92.2kJ/mol(1體積)(3體積)(2體積)【交流·研討】工業(yè)合成氨要考慮兩方面的因素：1、反應(yīng)速率2、氨氣產(chǎn)量分組討論如何提高反應(yīng)速率？如何提高氨氣的產(chǎn)量?！局R支持】實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？書P66請你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響：催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響條件Ea/KJ/molk(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167合成氨的適宜條件的選擇生成物氨的濃度反應(yīng)物的濃度催化劑溫度壓強速率分析使NH3生產(chǎn)得快外界條件高壓高溫使用增大濃度減小濃度平衡分析使NH3生產(chǎn)得多高壓低溫?zé)o影響增大濃度減小濃度【交流·研討】研討的內(nèi)容研討的問題

1、既然增大壓強既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好？壓強怎么定？2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？3、催化劑對化學(xué)平衡的移動沒有影響，

在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑，為什么？溫度怎么選擇？要不要用催化劑？

1、壓強怎么選？

分析：①合成氨反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應(yīng)，增大壓強既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強越大越好。②但是壓強越大，對設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動力大，因此選擇壓強應(yīng)符合實際科學(xué)技術(shù)。

綜合以上兩點:根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標來選擇壓強。

2、溫度怎么選擇？分析：①因為正反應(yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫度有利于平衡正向移動。

②可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，達到平衡所需要的時間越長，因此溫度也不宜太低。③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。

綜合以上因素:實際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）。

3、用不用催化劑？

實際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在700K時活性最高。

分析:

經(jīng)濟效益和社會效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快，原料的利用率要高，單位時間的產(chǎn)量要高。

4、濃度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？

增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮氣和氫氣的物質(zhì)的量比為1：3時，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實驗測得適當提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8時，更能促進氨的合成。

實際生產(chǎn)中的處理方法：及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；及時將氮氣和氫氣循環(huán)利用，使其保持一定的濃度。（閱讀書本67頁）外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑濃度研討的結(jié)果根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標來選擇壓強適宜溫度

700K左右使用鐵觸媒作催化劑N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8的投料比,氨及時從混合氣中分離出去【總結(jié)】工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品：

一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟效益；選擇合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度；選擇合適的壓強：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要考慮動力、材料、設(shè)備等。

【小結(jié)·反思】【遷移應(yīng)用】工業(yè)制造硫酸的主要反應(yīng)為:2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H=-197.8KJ/mol①SO3(g)+H2O(l)=H2SO4(aq)②反應(yīng)①的平衡常數(shù)K隨溫度升高而減小.所用催化劑的主要成分為V2O5(6％-12％)、K2SO4(17％-20％)、SiO2(50％-70％),能使催化劑中毒的物質(zhì)有砷、硒、氟等.請根據(jù)以上信息討論二氧化硫氧化反應(yīng)的工藝條件(溫度、壓強、原料氣配比等)對工業(yè)生產(chǎn)硫酸的影響.書P702不同壓強SO2的轉(zhuǎn)化率（%）1.01×105Pa5.05×105Pa1.01×106Pa5.05×106Pa1.01×107Pa450℃97.5%98.9%99.2%99.6%99.7%500℃85.5%92.9%94.9%97.7%98.3%我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況：

解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠；

1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸；

2000年達到3363.7萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。擁有多種原料、不同流程的大、中、小合成氨廠1000多家.合成氨的工業(yè)前景1、催化劑合成氨的鐵催化劑這一類合成氨催化劑以還原鐵為催化劑主要活性成分，并摻加各種促進劑和載體的催化劑.促進劑：稀土金屬及其氧化物關(guān)于稀土金屬及其氧化物的作用，我國也進行了一些研究。國外也報

道了一些含釤、鋯、鈀、銠的催化劑研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)稀土金屬及其氧化物是對氨合成非常有效的促進劑。我國有豐富的鈦、鋯、鈮等稀有金屬資源，因此，

以稀有金屬氧化物為促進劑，有希望成為我國改進工業(yè)合成氨的鐵催化劑的研究方向之一。

合成氨的工業(yè)前景合成氨的釕催化劑合成氨熔鐵型催化劑要在高溫、高壓和耗能高的苛刻條件下使用，且催化劑的活性并不是很高。而合成氨的釕催化劑可能是一種較好的催化劑。它在低溫低壓下活性很高，常壓下比合成氨的鐵催化劑的活性高10—20倍，且對水、CO和CO2不敏感，但合成氨的釕催化劑在高壓下未必比合成氨的鐵催化劑來得優(yōu)越。合成氨的工業(yè)前景現(xiàn)在，世界上好多國家（包括我國）的科學(xué)家，都在研究模擬生物固氮，即尋找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由兩種蛋白質(zhì)組成。一種蛋白質(zhì)（二氮酶）的分子量約22萬，含有兩個鉬原子、32個鐵原子和32個活性硫原子；另一種蛋白質(zhì)（二氮還原酶）是由兩個分子量為29000的相同亞基構(gòu)成的，每個亞基含有4個鐵原子和4個硫原子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些金屬有機化合物有可能作為可溶性的固氮催化劑。

2.化學(xué)模擬生物固氮合成氨的工業(yè)前景氮氣在通常狀態(tài)下十分穩(wěn)定，一般難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在超聲波作用下，可以使氮分子中的化學(xué)鍵削弱，從而在較溫和的條件下就可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在室溫下用超聲波輻射溶有空氣的飽和水溶液后，可以測到處理過的水中含有亞硝酸、硝酸等；如果處理溶有氮氣、氫氣和一氧化碳的飽和水溶液，可以測到甲醛、氫氰酸和咪唑等物質(zhì)，這些實驗對人工固氮的研究提供了一條新的途徑。

3.超聲波固氮：作業(yè):習(xí)題：書P714.5完成全優(yōu)設(shè)計:P52

夯實基礎(chǔ)已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0其實驗數(shù)據(jù)見表(1)應(yīng)選用的溫度是______。應(yīng)采用的壓強是______，理由是____________________________________________________________________________________________。450℃常壓因為常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強，SO2的轉(zhuǎn)化率提高很少，但需要的動力更大，對設(shè)備的要求更高。例題：已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0其實驗數(shù)據(jù)見表（1）從理論上分析，為了使二氧化硫盡可能轉(zhuǎn)化為三氧化硫，可控制的條件是

。（2）實際生產(chǎn)中，選定400℃～500℃作為操作溫度其原因是

。（3）實際生產(chǎn)中，采用的壓強為常壓，其原因是:

.

（4）在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目是