2.4化學反應的調(diào)控課件高二上學期化學人教版選擇性必修12

第二章化學反應速率與化學平衡

第四節(jié)化學反應的調(diào)控學習目標1.知道如何應用化學反應速率和化學平衡原理，掌握合成氨工業(yè)中溫度、壓強、濃度、催化劑選擇的原因。(變化觀念與平衡思想)2.結合工業(yè)生產(chǎn)實際，了解化工條件的選擇。(證據(jù)推理與模型認知)3.通過工業(yè)合成氨適宜條件的選擇與優(yōu)化，認識化學反應速率和化學平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學研究中的重要作用(科學態(tài)度與社會責任)

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。新課導入新課講授合成氨的反應歷程N2＋3H22NH3課內(nèi)探究1.合成氨條件的選擇（1）合成氨反應的特點①可逆性：反應為可逆反應。②體積變化：正反應是氣體體積縮小的反應。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)進行。

合成氨反應：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。

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提高平衡混合物中氨的含量增大升高增大加快增大降低增大無影響思考與討論（2）原理分析思考與討論（3）數(shù)據(jù)分析表中的實驗數(shù)據(jù)是在不同溫度、壓強下，平衡混合物中氨的含量的變化情況(初始時氮氣和氫氣的體積比是1:3)。分析表中數(shù)據(jù)，結合合成氨反應的特點，討論應如何選擇反應條件，以增大合成氨的反應速率、提高平衡混合物中氨的含量。思考與討論溫度/℃氨的含量/100%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.205264.27184.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4不同條件下，合成氨反應達到化學平衡時反應混合物中氨的含量(體積分數(shù))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。思考與討論請思考在實際生產(chǎn)中到底選擇哪些適宜的條件呢？影響因素化學反應速率平衡混合物中氨的含量溫度壓強催化劑升高降低增大減小減小增大增大加快增大減小減小減小使用增大不變減小不使用不變（1）壓強：合成氨廠一般采用的壓強為10MPa~30Mpa。

1.合成氨時壓強越大越好，為何不采用比30MPa更大的壓強?提示：壓強越大，對材料的強度和設備的制造要求也越高，需要的動力也越大，這會加大生產(chǎn)投資，可能降低綜合經(jīng)濟效益。

壓強的選擇——成本與效益的博弈課內(nèi)探究2.工業(yè)合成氨的適宜條件氨的體積分數(shù)/%0壓強/MPa2040608010080604020400℃時平衡體系內(nèi)氨的體積分數(shù)（2）溫度：一般采用的溫度為400~500℃

2.合成氨采用低溫時可提高轉化率，但為何未采用更低的溫度?

溫度的選擇—快與少、慢與多的權衡提示：溫度太低，反應速率太小，達到平衡所需的時間變長，不經(jīng)濟。升高溫度，轉化率降低，另外，合成氨所需的催化劑鐵觸媒的活性在500℃左右活性最大。課內(nèi)探究氨的體積分數(shù)/%0溫度/℃20030040050060010090807060504030201010MPa下平衡體系內(nèi)氨的體積分數(shù)課內(nèi)探究（3）催化劑：

目前，合成氨工業(yè)中普遍使用的是以鐵為主體的多成分催化劑，又稱鐵觸媒。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。課內(nèi)探究（4）濃度：

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。此外，如果讓N2和H2的混合氣體只一次通過合成塔發(fā)生反應也是很不經(jīng)濟的，應將NH3分離后的原料氣循環(huán)使用，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。

3.合成氨工業(yè)采用迅速冷卻法，使氣態(tài)氨變?yōu)橐喊焙蠹皶r從混合物中分離出去的目的是什么?提示：使化學平衡向生成氨的方向移動。

歸納總結外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑濃度根據(jù)反應器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標來選擇壓強(10～30MPa)適宜溫度，400～500℃使用鐵觸媒做催化劑N2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶2.8的投料比，氨及時從混合氣中分離出去課內(nèi)探究3.合成氨的生產(chǎn)流程（1）生產(chǎn)流程干燥凈化壓縮機加壓10MPa~30MPa熱交換冷卻N2+H2N2+H2N2+H2N2+H2N2+H2NH3+N2+H2NH3+N2+H2液態(tài)NH3鐵觸媒400~500℃（2）流程分析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)，防止與催化劑接觸時，導致催化劑“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。課內(nèi)探究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。課內(nèi)探究拓展視野合成氨的發(fā)展我國合成氨工業(yè)的發(fā)展是在20世紀30年代開始的，經(jīng)過幾十年的不懈奮斗和發(fā)展，我國已經(jīng)擁有了許多不同流程、不同規(guī)模的合成氨工廠。我國目前擁有了一支能夠進行合成氨生產(chǎn)的科研等方面的研究技術團隊，讓我國已成為世界上最大的合成氨生產(chǎn)國，產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的1/3。合成氨的應用合成氨工業(yè)是關系我國國民經(jīng)濟的重要行業(yè)，是我國化肥工業(yè)的基礎，也是傳統(tǒng)煤化工的重要組成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制