第二章第四节化学反应的调控 课件-高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1.pptx

化学反应调控化学反应调控我们对化学反应的调控并不陌生。为了延长食物储存时间，可以将它们保存在冰箱中。以工以工业合成氨生合成氨生产条件的条件的选择为例，研究化学反例，研究化学反应的的调控控问题 N2+3H2 2NH3 H0 温度（）25350400450600700平衡常数4.11061.847 0.507 0.1520.0092.6103 合成氨反应的平衡常数随温度的变化合成氨反应的平衡常数随温度的变化资料料1资料料2思考：根据以上信息，从思考：根据以上信息，从化学反应的方向化学反应的方向角度（角度（298K时时）和和化学反应的限度化学反应的限度角度分析工业合成氨的可行性？角度分析工业合成氨的可行性？N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2kJmol-1 S198.2JK-1mol-1HTS92.2 kJmol-1298K198.210-3 kJk1mol1，因为H-TS0，298 K下合成氨反应能自发进行。合成氨反应的平衡常数合成氨反应的平衡常数K=4.1106（molL-1)-2当平衡常数当平衡常数K105时，反应进行得较完全。可见时，反应进行得较完全。可见，298K即即25时反应达到平衡时进行得很完全。时反应达到平衡时进行得很完全。任务一任务一 判断工业合成氨的可行性判断工业合成氨的可行性任务二任务二 合成氨实验条件的选择合成氨实验条件的选择理论分析理论分析合成氨反应有什么样的特点？合成氨反应有什么样的特点？应如何选择反应条件，以应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中按的含量？请填入下表。增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中按的含量？请填入下表。对合成氨反应的对合成氨反应的影响影响影响因素影响因素浓度浓度温度温度压强压强催化剂催化剂增大合成氨的反增大合成氨的反应速率应速率提高平衡混合物提高平衡混合物中氨的含量中氨的含量增大反应物浓度增大反应物浓度升高升高降低降低增大增大增大增大使用催化剂使用催化剂无影响无影响增大反应物浓度增大反应物浓度0.11020306010020015.3 81.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4压强（MPa）温度（）氨的平衡含量（%）n(N2):n(H2)1:3 催化剂：铁催化剂：铁触媒触媒采用控制变量的方法采用控制变量的方法结论：结论：升高温度，氨的含量升高温度，氨的含量 ；这与反应速率是；这与反应速率是 的的。增大压强，氨的含量增大压强，氨的含量 ；这与反应速率是；这与反应速率是 的。的。数据分析数据分析任务二任务二 合成氨实验条件的选择合成氨实验条件的选择降低降低相矛盾相矛盾增大增大一致一致与理论预期一致与理论预期一致 从从化学平衡和化学反应速率两个角度来综合分析，在化学平衡和化学反应速率两个角度来综合分析，在工业生产中工业生产中什么样的条件才是最好什么样的条件才是最好的呢？的呢？请参考下列图表内容进行分组讨论。请参考下列图表内容进行分组讨论。已知：已知：1.1.压强大，对材料的强度和设备的制造要求高，需要的动力越大，将大大增大生产投压强大，对材料的强度和设备的制造要求高，需要的动力越大，将大大增大生产投资，合成氨压强在资，合成氨压强在10 MPa30 Mpa能达到最大经济效益。能达到最大经济效益。2.2.催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍，催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍，催化剂要在一定温度下催化活性最大。催化剂要在一定温度下催化活性最大。3.3.10 MPa30 Mpa400500 铁触媒催化能力200 400 600800任务三任务三 工业工业合成氨适宜合成氨适宜条件的分析条件的分析研讨的内容研讨的内容研讨的问题研讨的问题1.1.既然增大压强既可提高反应速率，又可提高既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？越好？压强怎么定？压强怎么定？2.2.既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？动，那么生产中是否温度越低越好？温度怎么定？温度怎么定？0.11020306010020015.3 81.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4压强（MPa）温度（）氨的平衡含量（%）任务三任务三 工业工业合成氨适宜合成氨适宜条件的分析条件的分析资料：资料：下下图为合成氨原料气合成氨原料气投料比投料比与平衡与平衡时时NH3体体积积分数的关系分数的关系问题问题1：合成氨原料气合成氨原料气最合适的最合适的投料比投料比？问题问题2：为了提高氨的产率，从：为了提高氨的产率，从浓度角度浓度角度，我们还可以怎么做？，我们还可以怎么做？任务三任务三 工业工业合成氨适宜合成氨适宜条件的分析条件的分析n(N2):n(H2)1:3采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成使化学平衡向生成NH3的方向移动。的方向移动。小结：小结：工业生产中：工业生产中：一般需要使用催化剂一般需要使用催化剂：可以大大加快反应速率，提高生产效率。：可以大大加快反应速率，提高生产效率。选择合适温度：选择合适温度：兼顾速率和平衡兼顾速率和平衡,且在此温度下催化剂的活性最高。且在此温度下催化剂的活性最高。选择合适压强：选择合适压强：兼顾速率和平衡兼顾速率和平衡，还要考虑动力、材料、设备，还要考虑动力、材料、设备等。等。合成氨的工业生产条件：合成氨的工业生产条件：使用铁触媒作催化剂使用铁触媒作催化剂温度：温度：400500 压强压强:10 MPa30 MPa浓度：浓度：n(N2):n(H2)1:3，将氨及时分离出来将氨及时分离出来任务三任务三 工业工业合成氨适宜合成氨适宜条件的分析条件的分析任务四任务四 合成氨生产的工艺流程合成氨生产的工艺流程分析工艺流程中各步操作的作用？分析工艺流程中各步操作的作用？（提示：催化剂遇杂质易降低活性）（提示：催化剂遇杂质易降低活性）1、原料气干燥、净化：、原料气干燥、净化：2、压缩机加压：、压缩机加压：3、热交换：、热交换：4、冷却：、冷却：5、循环使用原料气：、循环使用原料气：防止催化剂防止催化剂“中毒中毒”而降低或丧失催化活性而降低或丧失催化活性增大压强增大压强合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。故热交换可充分利用能源，提高经济效益。使氨液化后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成使氨液化后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。的方向移动。因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离分离后的原料气循环利用，并及时补充后的原料气循环利用，并及时补充N2和和H2,使反应物保持一定的浓度，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。以利于合成氨反应，提高经济效益。干燥净化压缩机加压10MPa30MPa热交换铁触媒500冷却N2H2N2H2N2H2NH3N2H2液态NH32.原理分析原理分析。根据反应特点，利用影响反应速率的因素和勒夏。根据反应特点，利用影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率的反应条件。特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率的反应条件。1.选取恰当的反应选取恰当的反应：考虑反应的方向和限度考虑反应的方向和限度3.根据根据实验数据实验数据确定适宜条件的范围及催化剂的筛选。确定适宜条件的范围及催化剂的筛选。根据根据工业工业生产的实际情况生产的实际情况、经济效益及环保要求经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件。等最终确定适宜的条件。哈伯：哈伯：锇（剧毒）作催化剂锇（剧毒）作催化剂、17.5 MPa20.0 MPa、500600 、氨含量、氨含量6%博施：博施：铁作催化剂铁作催化剂、开发了适合高温、高压下的合、开发了适合高温、高压下的合成设备、设计了获得大量廉价原料气的方法。成设备、设计了获得大量廉价原料气的方法。化工生产中调控反应的一般思路化工生产中调控反应的一般思路6500次试验，2500种不同配方，最终选用活化温度700K左右的含铅镁促进剂的铁催化剂原料用量原料用量n(N2):n(H2)：理论值为理论值为1:3实际为实际为1:2.8埃特尔：在合成氨反应初期，氮、氢分子被吸附在铁埃特尔：在合成氨反应初期，氮、氢分子被吸附在铁催化剂表面。进而确定吸附的氮原子和氢原子是反应催化剂表面。进而确定吸附的氮原子和氢原子是反应活性物，整个反应就是氮原子逐步加氢最终生成氨分活性物，整个反应就是氮原子逐步加氢最终生成氨分子的过程，并给出了每步反应的活化能。氮气在催化子的过程，并给出了每步反应的活化能。氮气在催化剂上的吸附分解所需活化能最高。剂上的吸附分解所需活化能最高。化工生产中调控反应的一般思路化工生产中调控反应的一般思路 哈伯哈伯（1918年）年）合成氨的基合成氨的基础开发工作础开发工作 5.不断技术创新不断技术创新合成氨与三次诺贝尔化学奖合成氨与三次诺贝尔化学奖 博施博施（1931年）年）实现了合成实现了合成氨的工业化氨的工业化 埃特尔埃特尔（2007年）年）揭开了合成揭开了合成氨的氨的“天机天机”“合成氨合成氨”里的中国人：里的中国人：2016年中科院大连化学物理研年中科院大连化学物理研究所研究团队研制合成了一种新型催化剂，将合成氨的究所研究团队研制合成了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了温度、压强分别降到了350、1 MPa。更加节能、降低成本更加节能、降低成本 1.在硫酸工业中，通过下列反应使在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成氧化成SO3：2SO2(g)O2(g)2SO3(g)H196.6kJ/mol。下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。的转化率。温度温度/平衡时平衡时SO2的转化率的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa 5MPa 10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3（1）从理论上分析，为了使）从理论上分析，为了使SO2尽可能多转化为尽可能多转化为SO3，应选择的条件是，应选择的条件是（2）在实际生产中，选定的温度为）在实际生产中，选定的温度为400500，原因是，原因是低温、高压低温、高压温度较低会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长，温度较高，二氧化硫的温度较低会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长，温度较高，二氧化硫的转化率会降低。转化率会降低。该温度是催化剂的活性温度。该温度是催化剂的活性温度。拓展练习拓展练习（3）在实际生产中，采用的压强为常压，原因是）在实际生产中，采用的压强为常压，原因是（4）在实际生产中，通入过量空气，原因是）在实际生产中，通入过量空气，原因是（5）尾气中的）尾气中的SO2必须回收，原因是必须回收，原因是因为在常压下，因为在常压下，400500时，时，SO2的转化率已经很高了，若再加压，的转化率已经很高了，若再加压，对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不适宜。对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不适宜。增大氧气的浓度，使平衡向生成增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高的方向移动，提高SO2的转化率。的转化率。减少对环境的污染，提高原料气减少对环境的污染，提高原料气SO2利用率。利用率。1.在硫酸工业中，通过下列反应使在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成氧化成SO3：2SO2(g)O2(g)2SO3(g)H196.6kJ/mol。下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。的转化率。温度温度/平衡时平衡时SO2的转化率的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3拓展练习拓展练习2.氢能是一种极具有发展潜力的清洁能源。下列反应是目前大规模制取氢气的方法之氢能是一种极具有发展潜力的清洁能源。下列反应是目前大规模制取氢气的方法之一。一。CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)H41.2kJ/mol（1）在生产中，欲使）在生产中，欲使CO的转化率提高，同时提高的转化率提高，同时提高H2的产率，可采取哪些措施？的产率，可采取哪些措施？（2）在容积不变的密闭容器中，将）在容积不变的密闭容器中，将2.0 mol CO与与8.0 mol H2O混合加热到混合加热到830 发生上述反应，达到平衡时发生上述反应，达到平衡时CO的转化率是的转化率是80%。计算该反应的平衡常数。计算该反应的平衡常数。（3）实验发现，其他条件不变，在相同时间内，向上述体系中投入一定量的实验发现，其他条件不变，在相同时间内，向上述体系中投入一定量的 CaO可以明显提高可以明显提高H2的体积分数。对比实验的结果如右图所示。的体积分数。对比实验的结果如右图所示。请思考：投入请思考：投入CaO时，时，H2的体积分数为什么会增大？的体积分数为什么会增大？微米微米CaO和纳米和纳米CaO对平衡的影响为何不同？对平衡的影响为何不同？增加水蒸气的浓度或者及时将CO2移出。投入CaO可吸收CO2，c(CO2)减小，使生成H2的反应正向移动，H2的体积分数增大。若投入纳米CaO时，纳米CaO颗粒小，表面积大，是反应速率加快，所以H2百分含量增大。