【课件】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

第二章第二节化学平衡2.4化学反应调控人工合成氨N2+3H2

2NH3高温、高压催化剂NO3－用空气制造面包的圣人——弗里茨·哈伯因发明用氮气和氢气合成氨的方法获得1918年诺贝尔化学奖如何从空气制得面包？哈伯（1918年）合成氨的基础开发工作合成氨与三次诺贝尔化学奖博施（1931年）实现了合成氨的工业化埃特尔（2007年）揭开了合成氨的反应机理卡尔·博施格哈德·埃特尔弗里茨·哈伯阅读课本P47科学·技术·社会

合成氨—实验室研究与工业化生产

工业合成氨的发展阅读课本P47科学·技术·社会

合成氨—实验室研究与工业化生产氮短缺事关人类的存亡，某一天将会有一位化学家寻找出一种方法，将成对的氮原子间三键打破，制出一种能为植物吸收的氮的化合物。——威廉∙克鲁克斯（英国）学习目标1、认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要意义，能讨论化学反应条件的选择和优化。2、能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。1.反应原理：2.反应特点(1)可逆性：反应为

反应。(2)熵变：ΔS

0，正反应是气体体积

的反应。(3)焓变：ΔH

0，是

反应。一、合成氨反应条件的原理分析：可逆<缩小<放热(4)该反应的自发性如何？N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)△H＝－92.2kJ•mol-1

∆S＝－198.2J•K-1•mol-1请根据反应的焓变和熵变分析在298K时合成氨反应能否正向自发进行？△G=△H－T△S=－33.14kJ·mol－1＜0，可以自发

查表：K(298K)=4×106，接近完全3、反应条件的选择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反应物浓度增大反应物浓度升高温度降低温度增大压强增大压强使用催化剂无影响标准：增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量一、合成氨反应条件的原理分析课本P44思考与讨论：温度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.1013.823.131.4温度升高，氨的含量降低，产率减小，但反应速率快。压强增大，氨的含量提高，产率增加，反应速率也快。二、合成氨反应的实验数据分析：思考：依据理论分析和实验室数据分析，发现在较低温和较高压的条件下可以得到平衡时较高的氨的含量。在实际的工业生产过程中是否完全按照这个条件进行？

工业生成需要考虑的问题速率产率经济成本设备条件安全条件1、压强但是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，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。目前，我国的合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa压强越大，速率、转化率都大

综合分析三、工业合成氨反应条件的控制：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)△H＝－92.2kJ•mol-1

2、温度综合分析低温能提高平衡转化率，但速率慢，到达平衡时间长，经济效益差，高温温能提高速率，但转化率小，且催化剂在500

℃时活性最大目前，一般采用的温度为400~500

℃三、工业合成氨反应条件的控制：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)△H＝－92.2kJ•mol-1

3、催化剂催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。弗里茨·哈伯：锇或用铀—碳化铀作催化剂锇：效果好，但储量极少且锇蒸汽有剧毒。铀：价格昂贵，性质过于敏感卡尔·博施：寻找廉价、安全、稳定的催化剂。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触媒。铁触媒三、工业合成氨反应条件的控制：图2：催化剂不同温度下的催化能力②混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化①催化剂铁触媒在500℃左右时的活性最大哈伯（1918年）合成氨的基础开发工作合成氨与三次诺贝尔化学奖博施（1931年）实现了合成氨的工业化埃特尔（2007年）揭开了合成氨的反应机理“合成氨”里的中国人：2016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，将合成氨的温度、压强分别降到了350℃、1MPa。更加节能、降低成本4、浓度图：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线①从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。②不断地补充反应物或者及时的分离生成物有利于工业生产a、迅速冷却氨气成液态并及时分离b、将氨分离后的原料气循环使用，并及时补充氮气和氢气，

使反应物保持一定的浓度。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三、工业合成氨反应条件的控制：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)△H＝－92.2kJ•mol-1

外部条件工业合成氨的适宜条件压强

MPa温度

℃催化剂使用

作催化剂浓度10～30400～500铁触媒小结：合成氨常用的生产条件：液化氨并及时分离，补充原料气并循环利用[n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8]合成氨工业流程1、化学反应的调控（1）含义：通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。四、化学反应条件的控制2.选择工业合成适宜条件的原则四、化学反应条件的控制

1.基本原则——多、快、好、省(1)多:生成的产品尽量多,化学平衡尽量正向移动。(2)快:按确定的目标方向,反应速率要快。(3)好:反应原理合理,反应途径最优。(4)省:原料利用率高,省料省时省能源。（2）原理分析。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。（1）分析反应特点。主要分析反应的方向性、可逆性、反应热和熵变等。(4)根据工业生产的实际情况、经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件。（3）根据实验数据进一步分析反应条件，确定适宜条件的范围及催化剂的筛选。选择合适的反应条件思维流程四、化学反应条件的控制1.确定反应，了解反应2.应用速率、平衡理论，调控反应3.综合生产实际

优化反应条件合成氨的工业生产条件：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)铁触媒700K，40MPa考虑温度、压强、浓度、催化剂以及能源、材料和设备成本等课堂小结选择化工生产适宜条件的分析角度方法指导分析角度原则要求从化学反应速率分析既不能过快，又不能太慢从化学平衡移动分析既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性从原料的利用率分析增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本从实际生产能力分析如设备承受高温、高压能力等从催化剂的使用活性分析注意催化剂的活性对温度的限制在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)⇌

2SO3(g)

ΔH＝－196.6kJ·mol－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500℃时催化剂效果最好)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。温度/℃平衡时SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3教材P49T3(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是________________。(2)在实际生产中，选定的温度为400～500℃，原因是：450℃、10MPa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，SO2转化率会降低，在此温度下，催化剂活性最高。温度/℃平衡时SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3（低温、高压）(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是_____。(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是_______。在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，增大压强，转化率提升不明显，但对材料的强度和设备制造的要求均提高很多，因此实际生产中采用的压强为常压增大反应物O2的浓度，有利于提高SO2的转化率温度/℃平衡时SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(5)尾气中SO2必须回收，原因是__________________。防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率(合理即可)温度/℃平衡时SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3二氧化碳催化加氢制甲醇,有利于减少温室气体CO2。合成甲醇的总反应为CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH=-49kJ·mol-1。(情境选自2021年全国甲卷28题)为提高平衡体系中CH3OH的产率,可采取哪些措施?

增大压强、降低温度、增大CO2或H2的浓度、及时分离出CH3OH等均可促使平衡正向移动,有利于提高CH3OH的产率。二氧化碳与氢气制甲醇过程中需要加入催化剂,其他条件不变时,催化剂是如何影响化学反应的?

其他条件不变时,使用催化剂一般能加快化学反应速率，是因为催化剂能改变化学反应历程,降低反应的活化能,进而影响化学反应。合成甲醇的反应中反应物的初始量n(H2)/n(CO2)=3时,在不同条件下达到平衡,设体系

中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH),在t=250℃下的x(CH3OH)~p、在p=5×105Pa下的x(CH3OH)~t如图所示。CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH=-49kJ·mol-1当x(CH3OH)=0.10时,CO2的平衡转化率为多少?图中哪个曲线表示等压过程,请说明判断的理由。33.3%该反应的正反应为放热反应,升高温度时平衡逆向移动,体系中x(CH3OH)减小,因此图中表示等压过程的曲线是b。(1)在合成氨中，为增加H2的转化率，充入的N2越多越好(

)(2)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，

在任何温度下都可自发进行(

)(3)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，

可提高原料的利用率(

)(4)合成氨反应选择在400～500℃进行的重要原因是催化剂在500℃左右时的活性最大(

)××√正误判断√1.下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是A.使用铁触煤，使N2和H2混合气体有利于合成氨B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应C.700K左右比室温更有利于合成氨的反应D.合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率课后练习√2.某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)⇌M(g)

ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是A.工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成B.若物质B廉价易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率C.工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高D.工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量√课后练习4.某温度下，对于反应:N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)

ΔH＝－92.4kJ·mol－1N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是A.将1mol氮气