化學反應的調(diào)控 課件 高中化學新人教版選擇性必修1（2022-2023學年）

1、第四節(jié) 化學反應的調(diào)控第二章 化學反應速率和化學平衡一、從合成氨說起18世紀末，英國化學家克魯克斯“先天下之憂而憂”，率先發(fā)出為了使子孫后代免于饑餓“向空氣要氮肥”的號召。 我們對化學反應的調(diào)控并不陌生?；瘜W反應的調(diào)控例如，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。 1.為什么要合成氨？從化學平衡的視角分析，合成氨應該可行！從哪些角度選擇固氮反應 氧化法： 還原法：常溫 K3.81031N2(g) + O2(g) 2NO(g) 常溫 K5.0108N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) （1）從化學平衡的視角從哪些角度選擇固氮反

2、應（2）從化學反應的方向性視角N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 已知298 K時：H92.4 kJmol1，S198.2 Jmol1K1。自發(fā)性：常溫（298 K）下，HTS0，能自發(fā)進行 2.合成氨很難嗎？ 化學反應的調(diào)控 合成氨不容易，難在哪兒？如果是你，你會怎樣分析？ 18世紀末，有人試圖在常溫常壓下合成氨，也有人在常溫加壓下進行實驗。都失敗了 德國化學家哈伯向合成氨發(fā)起沖擊。1908年7月，他在實驗室用氮氣和氫氣在600 、20 MPa下得到了氨，但是產(chǎn)率只有2%。 哈伯合成氨所用裝置冷卻室反應器出水口干燥室液態(tài)NH3出口進水口未反應氣體通過循環(huán)泵返回壓縮N2和H2進口化學

3、反應的調(diào)控 理論分析合成氨反應有什么樣的特點？如何通過選擇反應條件提高平衡混合物中氨的含量？ 對合成氨反應的影響影響因素濃度溫度壓強提高平衡混合物中氨的含量N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H 92.4 kJ/mol 1.從化學平衡分析尋找工業(yè)合成氨的適宜條件n(N2):n(H2)1:3及時移走產(chǎn)生的氨降低增大 溫度 理論分析：低溫可以提高平衡混合物中氨的含量。n(N2):n(H2) 1:3 10 MPa 實驗結果：與理論預期一致通過實驗驗證理論 采用控制變量的方法尋找工業(yè)合成氨的適宜條件n(N2):n(H2) 1:3 400 壓強 理論分析：壓強越大越有利于提高平衡混合物中氨的含

4、量 實驗結果：與理論預期一致尋找工業(yè)合成氨的適宜條件原料氣 n(N2):n(H2)1:3、及時移走產(chǎn)生的氨、低溫和高壓從化學平衡看，合成氨的適宜條件 尋找工業(yè)合成氨的適宜條件為什么沒有在常溫合成氨？合成氨難在哪兒？還有什么因素制約氨的合成？常溫下合成氨化學反應速率很?。?合成氨反應為什么慢？ 2. 從化學反應速率分析活化能高如何增大合成氨的化學反應速率？對合成氨反應的影響影響因素濃度溫度壓強催化劑增大合成氨的反應速率增大升高增大使用 怎樣降低反應的活化能？改變反應歷程尋找工業(yè)合成氨的適宜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合成氨的反應速率增大升高增大使用提高平衡混合物中氨的含量

5、n(N2):n(H2) 1:3及時移走產(chǎn)生的氨降低增大無影響尋找工業(yè)合成氨的適宜條件 3. 綜合分析實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)：綜合考慮成本要低！壓強從化學反應速率與化學平衡考慮，都是壓強越大越好。 綜合成本與設備耐壓： 10 MPa30 MPa尋找工業(yè)合成氨的適宜條件催化劑增大化學反應速率，不改變平衡混合物的組成。 現(xiàn)在常用鐵，其活性最好的溫度為500 左右。 溫度低溫可以提高平衡混合物中氨的含量，但低溫會減小化學反應速率。綜合考慮，特別是考慮催化劑的活性，一般400500 在溫度與壓強的最佳條件下，平衡混合物中氨的含量仍不高，怎么辦？ 溫度/氨的含量/%0.1 MPa10 MPa20 MPa30 MPa

6、60 MPa100 MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.1013.823.131.4尋找工業(yè)合成氨的適宜條件將氨及時分離出來，原料氣循環(huán)使用合成氨常用的生產(chǎn)條件： 使用催化劑溫度：400500 壓強: 10 MPa30 MPa將氨及時分離出來，原料氣循環(huán)使用尋找工業(yè)合成氨的適宜條件合成氨工業(yè)流程化學平衡反應速率影響因素調(diào)控反應最佳效果2.分析調(diào)控方法反應化工生產(chǎn)中調(diào)控反應的一般思路1.

7、選取恰當?shù)姆磻?.探索最佳工藝 哈伯： 鋨（劇毒）作催化劑 、17.5 MPa20.0 MPa、500600 、氨含量6% 博施： 鐵作催化劑 、開發(fā)了適合高溫、高壓下的合成設備、設計了獲得大量廉價原料氣的方法原料用量n(N2):n(H2)：理論值為1:3實際為1:2.8埃特爾：在合成氨反應初期，氮、氫分子被吸附在鐵催化劑表面。進而確定吸附的氮原子和氫原子是反應活性物，整個反應就是氮原子逐步加氫最終生成氨分子的過程，并給出了每步反應的活化能。化工生產(chǎn)中調(diào)控反應的一般思路 哈伯（1918年）合成氨的基礎開發(fā)工作 4.不斷技術創(chuàng)新合成氨與三次諾貝爾化學獎化工生產(chǎn)中調(diào)控反應的一般思路 博施（1931

8、年）實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化 埃特爾（2007年）揭開了合成氨的“天機”“合成氨”里的中國人：2016年中科院大連化學物理研究所研究團隊研制合成了一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強分別降到了350 、1 MPa 。 更加節(jié)能、降低成本（2）原理分析。根據(jù)反應特點，利用影響反應速率的因素和勒 夏特列原理分析增大反應速率、提高原料轉化率的反應條件。小結1：選擇適宜工業(yè)生產(chǎn)條件的流程（1）分析反應特點。主要分析反應的方向性、可逆性、反應熱和熵變等。（4）根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實際情況、經(jīng)濟效益及環(huán)保要求等最終確定適宜的條件。（3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進一步分析反應條件，確定適宜條件的范圍及催化劑的篩選。小結2：選擇化

9、工生產(chǎn)適宜條件的分析角度 分析角度 原則要求從化學反應速率分析從化學平衡移動分析從原料的利用率分析從實際生產(chǎn)能力分析從催化劑的使用活性分析 既不能過快，又不能太慢既要注意外界條件對速率和平衡影響的一致性，又要注意二者影響的矛盾性增加易得廉價原料，提高難得高價原料的利用率，從而降低生產(chǎn)成本如設備承受高溫、高壓能力等注意催化劑的活性對溫度的限制1在合成氨時，要使氨的產(chǎn)率增大，又要使化學反應速率增大，可以采取的措施有（ ）增大體積使壓強減小 減小體積使壓強增大 升高溫度 降低溫度 恒溫恒容，再充入N2和H2 恒溫恒壓，再充入N2和H2 及時分離產(chǎn)生的NH3 使用催化劑A BC DC2下列事實能用勒夏特列原理解釋的是（ ）A使用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨B由H2(g)、I2(g)和HI(g)組成的平衡體系加壓后顏色變深C500 左右比室溫更有利于合成氨的反應D將混合氣體中的氨液化有利于合成氨反應D3對于合成氨反應，達到平衡后，以下分析正確的是（ ）A升高溫度，對正反應的反應速率影響更大B增大壓強，對正反應的反應速率影響更大C減小反應物濃度，對逆反應的反應速率影響更大D加入催化劑，對逆反應的反應速率影響更大BA項，合成氨反應的正反應是放熱反應，升高溫度，正、逆反應的反應速率都增大，但是溫度對吸熱反應的速率影響更大，所以對該反應來說，對逆反應的反應速率影響更大