【課件】化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控課件2023-2024學(xué)年上學(xué)期高二化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1

第二章化學(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)1min1、認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要意義，能討論化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化。2、能從限度、速率等角度對(duì)化學(xué)反應(yīng)和化工生產(chǎn)條件進(jìn)行綜合分析。自學(xué)指導(dǎo)

6min閱讀課本第44-47頁，完成課堂新坐標(biāo)第35-36頁B自學(xué)檢測(cè)3min生成的NH3分離出后，再將未反應(yīng)的N2、H2循環(huán)利用，可使氨的產(chǎn)率較高選擇500℃左右的溫度，主要從反應(yīng)速率和催化劑活性兩方面考慮壓強(qiáng)太大，對(duì)設(shè)備、動(dòng)力的要求太高自學(xué)檢測(cè)3min×

××

充入的N2越多，H2的轉(zhuǎn)化率越大，但過多未反應(yīng)的N2會(huì)浪費(fèi)。×

ΔH＜0，

ΔS＜0，低溫自發(fā)教師點(diǎn)撥

20min氨是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品之一，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以氨為原料的。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。N2+O2

2NO放電或高溫======①電弧法固氮：②人工合成氨N2+3H2

2NH3高溫、高壓催化劑用空氣制造面包的圣人——弗里茨·哈伯如何從空氣中獲得肥料？以工業(yè)合成氨生產(chǎn)條件的選擇為例，研究化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控問題。請(qǐng)根據(jù)焓變和熵變分析在298K時(shí)合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？ΔG=ΔH－TΔS=－33.14kJ·mol－1＜0，可以自發(fā)

且K(298K)=4×106，接近完全先合成氨，再進(jìn)一步將之轉(zhuǎn)化為銨鹽或者硝酸鹽，變成了土壤可吸收的形式。最好的原料是空氣，因?yàn)樗渲懈缓??！枴げ┦㎞2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)ΔH＝－92.2kJ?mol-1

ΔS＝－198.2J?K-1?mol-11910年，

哈伯完成了合成氨的基礎(chǔ)研究工作，博施實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化，這種合成氨的工業(yè)方法被稱為“哈伯-博施法”，兩人先后獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)意義：人類首次徹底地采用化學(xué)合成的方式對(duì)自然循環(huán)進(jìn)行干預(yù)，由此在自然循環(huán)中依靠自己的努力成為了類似造物主的角色，改變了過去靠天吃飯的狀況。哈伯合成氨所用裝置世界人口變化圖1、原理分析一、合成氨的適宜條件選擇【思考與討論】---P44根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量？增大合成氨的反應(yīng)速率與提高平衡混合物中氨的含量所應(yīng)采取的措施是否一致?在實(shí)際生產(chǎn)中到底選擇哪些適宜的條件呢?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

增大增大反應(yīng)物濃度，減小生成物濃度升溫降溫增大增大正催化劑不影響下表中的實(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變化情況（初始時(shí)氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比是1:3）。分析表中數(shù)據(jù)，結(jié)合成成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，討論應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量。壓強(qiáng)↑，NH3%↑。溫度↓，NH3%↑。溫度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.42、數(shù)據(jù)分析圖1:平衡混合物中氨的含量與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系溫度升高，氨的含量降低壓強(qiáng)增大，氨的含量增大高壓、低溫有利于合成氨NH3含量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

2、數(shù)據(jù)分析工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)該考慮那些問題呢？速率產(chǎn)率經(jīng)濟(jì)成本設(shè)備條件安全條件思考探究升高溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)物濃度及使用催化劑等，都可以使合成氨的反應(yīng)速率增大；降低溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)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(yīng)速率，但不改變平衡混合物的組成。那么，在實(shí)際生產(chǎn)中到底選擇哪些適宜的條件呢？1.壓強(qiáng)合成氨時(shí)壓強(qiáng)越大越好；但壓強(qiáng)越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求就越高，需要的動(dòng)力也越大，這將會(huì)大大增加生產(chǎn)投資，并可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國的合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)為10MPa~30MPa。

2.溫度根據(jù)平衡移動(dòng)原理，合成氨應(yīng)采用低溫以提高平衡轉(zhuǎn)化率。但溫度降低會(huì)使反應(yīng)速率減小，達(dá)到平衡時(shí)間變長，這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)濟(jì)的。因此，需要選擇一個(gè)適宜的溫度。目前，在實(shí)際生產(chǎn)中一般采用的溫度為400~500℃。目前工業(yè)普遍使用鐵觸媒催化劑，改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)物在較低溫度時(shí)能較快地進(jìn)行反應(yīng)。該催化劑在500℃左右時(shí)的活性最大。這也是合成氨反應(yīng)一般選擇400-500℃進(jìn)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。

3.催化劑效果好，但儲(chǔ)量極少且鋨蒸汽有劇毒。且鈾的價(jià)格昂貴，性質(zhì)過于敏感25000多次試驗(yàn)，2500種不同配方，終于篩選出合成氨工業(yè)用催化劑鐵觸媒。鐵觸媒卡爾·博施：尋找廉價(jià)、安全、穩(wěn)定的催化劑弗里茨·哈伯：鋨或用鈾—碳化鈾作催化劑即使在高溫、高壓下，合成氨反應(yīng)仍然進(jìn)行得十分緩慢。例如，采取迅速冷卻的方法，使氣態(tài)氨變成液氨后及時(shí)從平衡混合物中分離出去，以促使化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)。此外，應(yīng)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，以利于合成氨反應(yīng)。

4.濃度由表2－2可以看出，即使在500℃和30MPa時(shí)，合氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只為26.4%，即平衡時(shí)N2和H2的轉(zhuǎn)化率仍不夠高。在實(shí)際生產(chǎn)中，還需要考慮濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響等。從化學(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。歸納總結(jié)

工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑濃度10～30MPa400～500℃鐵觸媒N2和H2的的投料比為1∶2.8，及時(shí)分離氨從實(shí)際生產(chǎn)分析合成氨N2、H2循環(huán)使用，并及時(shí)補(bǔ)充及時(shí)分離NH3圖2-13合成氨生產(chǎn)流程示意圖制氣→凈化除雜→壓縮→合成→冷卻分離→循環(huán)壓縮液化空氣分離法水煤氣(1)原料氣干燥凈化：除去原料氣中的水蒸氣及其他氣體雜質(zhì)，防止催化劑“中毒”而降低或喪失催化活性(2)壓縮機(jī)加壓：增大壓強(qiáng)(3)熱交換：合成氨反應(yīng)放熱，反應(yīng)體系溫度逐漸升高，為原料氣反應(yīng)提供熱量，故熱交換可充分利用能源，提高經(jīng)濟(jì)效益。合成氨流程分析(4)冷卻：生成物NH3的液化需較低溫度采取迅速冷卻的方法，可使氣態(tài)氨變成液氨后及時(shí)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(dòng)。(5)循環(huán)使用原料氣：因合成氨反應(yīng)為可逆反應(yīng)，將NH3分離后的原料氣循環(huán)利用，并及時(shí)補(bǔ)充N2和H2,使反應(yīng)物保持一定的濃度，以利于合成氨反應(yīng)，提高經(jīng)濟(jì)效益。1、選擇工業(yè)合成適宜條件的原則(1)考慮參加反應(yīng)的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等本身因素(2)考慮溫度、壓強(qiáng)、濃度、催化劑等反應(yīng)條件(3)實(shí)際生產(chǎn)中還要考慮設(shè)備條件、安全操作和經(jīng)濟(jì)成本等情況(4)還要考慮環(huán)境保護(hù)及社會(huì)效益等方面的規(guī)定和要求2、選擇工業(yè)合成適宜條件的分析角度分析角度原則要求化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)平衡移動(dòng)原料的利用率實(shí)際生產(chǎn)能力催化劑的使用活性盡量越快越好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增加廉價(jià)原料，提高高價(jià)原料的利用率，從而降低生產(chǎn)成本如設(shè)備承受高溫、高壓能力等注意催化劑的活性對(duì)溫度的限制外界條件有利于加快速率的條件控制有利于平衡正向移動(dòng)的條件控制綜合分析結(jié)果濃度增大反應(yīng)物的濃度增大反應(yīng)物的濃度、減小生成物的濃度催化劑加合適的催化劑不需要溫度高溫ΔH＜0低溫ΔH＞0高溫壓強(qiáng)高壓(有氣體參加)Δνg＜0高壓Δνg＞0低壓不斷地補(bǔ)充反應(yīng)物、及時(shí)地分離出生成物加合適的催化劑兼顧速率和平衡，在設(shè)備條件允許的前提下，考慮催化劑的活性，選取適宜的溫度兼顧速率和平衡，在設(shè)備條件允許的前提下，選取適宜的壓強(qiáng)3、選擇工業(yè)合成適宜條件的參考依據(jù)哈伯(1918年)完成合成氨的基礎(chǔ)開發(fā)工作P47科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)——合成氨與三次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)博施(1931年)實(shí)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(jī)”（催化反應(yīng)原理）據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界在合成氨工業(yè)上消耗的能源占全人類能源消耗的1%-2%。為了降低合成氨的消耗，人們一直試圖對(duì)合成條件進(jìn)行優(yōu)化。2016年中科院大連化學(xué)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)研制合成了一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強(qiáng)分別降到了350℃、1MPa。更加節(jié)能、降低成本解題思路：a、抓住反應(yīng)特點(diǎn)

反應(yīng)熱：ΔH>0或者ΔH<0反應(yīng)前后氣體體積變化：ΔVg>或ΔVg<0b、運(yùn)用平衡規(guī)律：把外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響和實(shí)際情況相結(jié)合起來c、準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)：結(jié)合測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確分析反應(yīng)條件，解決化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控活學(xué)活用綜合分析(1)數(shù)據(jù)找到答案(2)分析題設(shè)信息找到答案在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)使SO2轉(zhuǎn)化成SO3，2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-198KJ/mol，(已知制備SO3的過程中催化劑使是V2O5，在400--500℃效果最好），下表為不同溫度和壓強(qiáng)下的二氧化硫的轉(zhuǎn)化率

(3)分析數(shù)據(jù)找到答案常壓450℃催化劑此溫度下催化效果最好常壓下轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高增大O2濃度提高SO2

轉(zhuǎn)化率防止污染環(huán)境工業(yè)上選擇適宜生產(chǎn)條件的原則C都不能改變還要考慮取向D如SO2和O2在常壓下催化劑加熱反應(yīng)生成SO3吸熱反應(yīng)，T↑，平衡逆向移動(dòng)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率降低增大反應(yīng)速率，提高單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量NH3BCca隨堂自測(cè)P37CBDB瞬間v正增大、v逆隨之增大，K不變反應(yīng)速率加快但反應(yīng)限度降低低溫、高壓高溫、低壓合成氨的反應(yīng)歷程N(yùn)2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-12007年Ertl證實(shí)了N2與H2在催化劑表面合成氨的反應(yīng)歷程如圖所示。擴(kuò)散→吸附→表面反應(yīng)→脫附→擴(kuò)散。埃特爾合成氨催化劑表面化學(xué)過程模型合成氨機(jī)理圖①②③④⑤⑥①②⑥③④⑤①N2

(g)+H2

(g)=N2

(吸)+H2(吸)②N