【化学】化学反应的调控课件 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1.pptx

2.4 2.4 化学反应的调控化学反应的调控图片民以食为天粮食增产吃不饱吃的饱如何使粮食增产呢？禾下乘凉梦改良品种粮食危机肥料 3制氮肥的原料1898年，英国科学家克鲁克斯发出了“向空气要氮肥”的号召氮的固定N2氮肥4回顾学过的固氮反应，哪个反应可以实现工业化生产?高能固氮生物固氮N2+O2=2NON2+3H2 2NH351.NH3 可以进一步转化为可以进一步转化为 被植物吸收和利用被植物吸收和利用;2.该反应原料来源丰富该反应原料来源丰富;3.合成氨反应合成氨反应 H0，S0，低温下反应能自发进行，低温下反应能自发进行;4.该反应在常温下反应限度较大。该反应在常温下反应限度较大。N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H92.4 kJmol1(3)省省(4)好好(2)快快(1)多多提高提高平衡混合物里氨的平衡混合物里氨的含量含量提高提高单位时间里氨的单位时间里氨的产量产量降低成本降低成本，提高原料，提高原料利用率利用率保护环境，对设备的保护环境，对设备的要求要求化学平衡化学平衡化学反应化学反应速率速率如何调控反应条件使它满足工业化生产的要求呢?如何选择反应条件以增大合成氨的反应速率，提高平衡混合物中氨的含量？对合成氨反应的影响影 响 因 素浓度温度压强催化剂增大合成氨的反应速率提高平衡混合物中氨的含量增大增大增大增大增大增大使用使用增大增大降低降低增大增大无影响无影响合成氨反应是合成氨反应是放热放热的、的、气体体积缩小气体体积缩小的可逆反应的可逆反应。任务二：任务二：合成氨条件的选择 根据数据分析合成氨的条件N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.4KJmol-1分析表中数据分析表中数据：压强相等时，压强相等时，温度越低温度越低，平衡时氨的含量越高，平衡时氨的含量越高；温度相等时，温度相等时，压强越大压强越大，平衡时氨的含量越高，平衡时氨的含量越高。降温降温加压加压合成氨工业中一般采用的压强为10-30 Mpa，为什么不采用30 Mpa的压强？压强越大，对材料的强度和设备的制压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这会造要求也越高，需要的动力也越大，这会加大生产投资，可能降低加大生产投资，可能降低综合经济效益综合经济效益。图图2-11 400下平衡时的体积分数下平衡时的体积分数随压强的变化示意图随压强的变化示意图压强增大，氨的含量增大，合成氨的反应速率加快。压强增大，氨的含量增大，合成氨的反应速率加快。选择生产条件的原则：既要注意理论上的选择生产条件的原则：既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。需要，又要注意实际操作上的可能性。【平衡、速率角度一致】【平衡、速率角度一致】合成氨工业中一般采用的温度为400-500，为什么不采用400的温度？温度太低，反应速率太小，达到平衡温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长，所需的时间变长，不经济不经济。图图2-12 10MPa下平衡时氨的体积分数下平衡时氨的体积分数随温度的变化示意图随温度的变化示意图升高温度，升高温度，合成氨的反应速率加快，但合成氨的反应速率加快，但氨的含量减小。氨的含量减小。【平衡、速率角度矛盾】【平衡、速率角度矛盾】选择生产条件的原则：选择生产条件的原则：综合考虑影响化学综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适且反应速率和化学平衡的因素，寻找合适且符合实际需求的生产条件。符合实际需求的生产条件。在高温高压下N2和H2的反应仍然十分缓慢，请提出合适的方法解决上述问题。可以加入合适的催化剂，以改变反应历程，从而降低反应的活化能，使反应物能较快地发生反应。弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：锇锇或用或用铀铀碳化铀碳化铀作催化剂作催化剂锇：锇：效果效果好，但好，但储量极储量极少少且且锇锇蒸汽有蒸汽有剧毒。剧毒。铀铀：价格价格昂贵昂贵 ，性质，性质过于过于敏感敏感卡尔卡尔 博施博施：寻找寻找廉价、安全、稳定的廉价、安全、稳定的催化剂催化剂。65006500次试验，次试验，25002500种不同配方，最终选用活化温度种不同配方，最终选用活化温度700K700K左右的含铅镁促进剂的左右的含铅镁促进剂的铁触媒铁触媒。催化剂不同温度下的催化能力催化剂不同温度下的催化能力混有的混有的杂质使催化剂杂质使催化剂“中毒中毒”，原料气必须经过原料气必须经过净化净化催化剂铁触媒催化剂铁触媒在在500 左右时的活性最大左右时的活性最大扩散 吸附 表面反应 脱附 扩散n理解催化剂作用下的反应历程吸附表面反应脱附2024/5/16决速步骤脱附：脱附：NH3(ad)NH3(g)吸附：吸附：N2(g)N2(ad)H2(g)H2(ad)表面反应：表面反应：N2(ad)2N(ad)H2(ad)2H(ad)N(ad)+H(ad)NH(ad)NH(ad)+H(ad)NH2(ad)NH2(ad)+H(ad)NH3(ad)n理解催化剂作用下的反应历程图：图：NH3的平衡体积分数的平衡体积分数随投料比变化的曲线随投料比变化的曲线浓度浓度从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高高N2的浓度的浓度，从而增加从而增加N2的吸附浓度，加快决速步骤的吸附浓度，加快决速步骤的反应速率。的反应速率。即即N2和和H2的物质的量比为的物质的量比为1：2.8时，更时，更能促进氨的合成。能促进氨的合成。在温度与压强的最佳条件下，平衡混合物中氨的含量仍不高在温度与压强的最佳条件下，平衡混合物中氨的含量仍不高?及时及时分离分离生成的生成的NH3，为，为N2和和H2腾出更多可供吸附腾出更多可供吸附的催化剂表面空间的催化剂表面空间选择生产条件的原则：既要注意选择生产条件的原则：既要注意温度、催化剂温度、催化剂对对速率速率影响的一致性，影响的一致性，又要注意又要注意催化剂活性催化剂活性对温度的限制。对温度的限制。原料原料循环循环利用利用分离产物分离产物防止催化剂防止催化剂“中毒中毒”，原，原料气必须经过净化料气必须经过净化催化剂活性催化剂活性最大最大归纳总结归纳总结外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强适宜温度500左右使用铁触媒作催化剂N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去实际工业简要流程实际工业简要流程造气、净化、合成氨造气、净化、合成氨防催化防催化剂中毒剂中毒净化净化压缩压缩合成合成分离分离H2:N2（2.8:1)造气造气液氨液氨N2和和H2循环利用循环利用冷凝冷凝总结工业生产中调控化学反应的一般思路和方法。可自发可自发优先考虑催化剂优先考虑催化剂大大提高转化率大大提高转化率温度、浓度、压强等温度、浓度、压强等“合成氨合成氨”中的中国人：中的中国人：20162016年年,中国科学院大连化学物理研究所中国科学院大连化学物理研究所的研究团队研制了一种新型催化剂，的研究团队研制了一种新型催化剂，将将合成氨的温度、压强分别降到了合成氨的温度、压强分别降到了350、1MPa，这是近年来合成氨反应研究这是近年来合成氨反应研究中的重要突破中的重要突破,为发展节能的催化剂提供了新的思路。为发展节能的催化剂提供了新的思路。2024/5/1620模型应用(1)应选择的温度是_，理由是 。温度不同压强下SO2的转化率(%)1105Pa5105Pa1106Pa5106Pa1107Pa450 97.598.999.299.699.7550 85.692.994.997.798.3450 该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450 反应物转化率较高已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H 0的实验数据如下表:2024/5/1621(2)应采用的压强是_，理由是：(3)在合成SO3的过程中，不需要分离出SO3的原因是：(4)生产中通入过量空气的目的是_。1105Pa 常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要动力更大，对设备的要求更高SO2的转化率比较高，达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少增大O2浓度、提高SO2的转化率温度不同压强下SO2的转化率(%)1105Pa5105Pa1106Pa5106Pa1107Pa450 97.598.999.299.699.7550 85.692.994.997.798.3