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

第二章化学反应速率与化学平衡

第四节化学反应的调控化学反应的调控合成氨发展历程及重要节点20世纪以前生物固氮H+，e-ADP固氮酶NH3ATP1898年1909年德国A.弗兰克等人发现氮能与碳化钙固定而生成氰氨化钙，进一步与过热水蒸气反应即可获得氨德国化学家Haber用锇催化剂将氮气与氢气在17.5～20MPa和500～600℃下直接合成1912年1985年1990年Furuya和Yoshiba考察了26种无机催化剂在气体扩散电极上NRR产氨的性能2007年GerhardErtl对人工固氮技术的原理提供了详细的解释Haber-Bosch法铁基催化剂N2+H2NH3Pickett和Talarmin在N2饱和的四氢呋喃溶液中用汞阴极于-2.6V下恒电势电解，首次利用电化学方法还原氮气更加节能、降低成本合成氨发展历程及重要节点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℃、1MPa2016年天使与恶魔的化身第一个从空气中制造出氨气的科学家，使人类摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，养活了20亿人，诺贝尔化学奖得主一战中，任化学兵工厂厂长发明了化学武器(芥子、氯气等)用于战争，造成近百万人伤亡，是战争魔鬼遭人唾骂合成氨发展历程及重要节点1908年7月，哈伯在实验室用氮气和氢气在600℃、20MPa下得到了氨，但是产率极低，只有6%合成氨开端哈伯合成氨所用装置合成氨发展历程及重要节点1874年，卡尔·博施生于德国科隆。24岁时毕业于莱比锡大学，获有机化学博士学位。1908年～1913年，卡尔·博施改进哈伯首创的高压合成氨催化方法，利用氧化铁型催化剂，使合成氨生产工业化，化学上称为"哈伯——博施法"。1940年，因找到合适的催化剂，使合成氨反应成为工业化，也因此获得诺贝尔化学奖。合成氨工业之父合成氨发展历程及重要节点自然固氮雷电/大气/高能固氮N2＋O22NO放电或高温

H＝＋180.5kJ/mol

S＝＋247.7kJ/mol工业合成氨人工固氮N2＋3H22NH3高温、高压催化剂

H＝－92.2kJ/mol

S＝－198.2kJ/mol合成氨反应条件与原理分析探究一判断化学反应进行的方向高温下反应能自发进行ΔH>0ΔS>0低温下反应能自发进行ΔH<0ΔS<0合成氨反应条件与原理分析探究一判断化学反应进行的方向N2＋3H22NH3高温、高压催化剂N2＋O22NO放电或高温N2＋O22NO放电或高温化学反应反应温度平衡常数25℃25℃2000℃4.1×1065×10-310.1K越大反应进行的越完全合成氨反应：298K

N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)

ΔH＝－92.4kJ·mol－1

ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1

1．合成氨反应的特点(1)可逆性：反应为可逆反应。(2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。(3)正反应为放热反应：ΔH<0，熵变：ΔS<0。(4)自发性：常温(298K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行2.根据此反应特点分析，什么条件有利于提高合成氨的速率？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

N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)

ΔH＝－92.4kJ·mol－1

ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1

3.根据此反应特点分析，什么条件有利于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提高平衡混合物中氨的含量

N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)

ΔH＝－92.4kJ·mol－1

ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1

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增大反应物浓度升高温度增大压强使用催化剂提高平衡混合物中氨的含量增大反应物浓度降低温度增大压强——达到平衡时平衡混合物中NH3的含量体积分数[V(N2):V(H2)=1:3]温度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4温度升高，氨的含量降低压强增大，氨的含量增大增大压强、降低温度均有利于提高平衡混合物中氨的含量工业合成氨适宜条件的分析（3）便宜（4）绿色（2）多（1）快即提高平衡混合物里氨的含量——化学平衡问题即提高单位时间内氨的产量——化学反应速率问题降低成本，提高原料利用率。保护环境，对设备的要求。1.压强：【问题】合成氨时压强越大越好，为何不采用更大的压强?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,这会加大生产投资,可能降低综合经济效益。

压强的选择—成本与效益20%~40%我国的合成氨厂一般采用的压强为10MPa~30MPa2.催化剂：目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400~500℃进行的重要原因。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”,原料气必须经过净化。使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍【问题】合成氨采用低温时可提高转化率,但为何未采用更低的温度?温度的选择—快与少、慢与多温度太低,反应速率太小,达到平衡所需的时间变长,不经济。升高温度，转化率降低,另外合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500℃左右活性最大。3.温度：实际生产中一般采用的温度为400~500℃10%~30%合成氨反应条件与原理分析探究二合成氨条件的选择图像分析——浓度NH3的体积分数/%0123456102030405060氢气和氮气的体积比初始时氮气和氢气的体积比是1∶3增大氮气浓度液化氨气及时从混合物中分离出去从原料成本来看，氢气的价格要比氮气的价格高，思考：如何提高氨气的产量？促使化学平衡正向移动，提高氨的产量NH3的体积分数最大合成氨生产的工艺流程原料气的制备氮气液化空气氮气N2减压蒸发压强降低，物质的沸点降低氢气C+H2O(g)CO+H2高温CO+H2O(g)CO2+H2高温催化剂工业上用水蒸气与焦炭在高温下反应，吸收CO2后制得——生产成本低——生产成本高4.浓度：

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NH3的方向移动。此外，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔发生反应也是很不经济的，应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应。外部条件工业合成氨的适宜条件压强10MPa～30MPa温度400～500℃催化剂使用铁触媒做催化剂浓度气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，且使反应物氮气和氢气保持在一定的浓度综上所述工业上通常采用铁触媒、在400~500℃和10MPa～30MPa的条件下合成氨。合成氨的生产流程干燥净化压缩机加压10MPa~30MPa热交换铁触媒400~500℃冷却N2+H2N2+H2N2+H2N2+H2N2+H2NH3+N2+H2NH3+N2+H2液态NH3工业合成氨适宜条件的选择N2+H2干燥净化防止催化剂中毒N2+H2压缩机加压10MPa～30MPaN2+H2热交换N2+H2铁触媒400～500℃N2+H2+NH3冷却液态NH3N2+H2+NH3N2+H2充分利用能源增大压强促使化学平衡向生成氨气的方向移动原料气循环利用，提高原料利用率那么，在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？1、原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性二、流程分析2、压缩机加压：增大压强3、热交换：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。4、冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨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。5、循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2,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。化学反应的调控1、定义：就是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。2、考虑因素：在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。3、控制反应条件的目的(1)促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。(2)抑制有害的化学反应：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。4、控制反应条件的基本措施(1)控制化学反应速率的措施：通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。(2)提高转化率的措施：通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。化学反应的调控化工生产适宜条件选择的一般原则条件原则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，循环利用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分析①防止催化剂中毒，增加乳化装置②温度对催化剂活性的影响③应用催化的选择性，控制副反应，提高产率，降低生产成本化学反应速率和化学平衡在化工生产中的调控作用合成氨时既要提高氨的产率，又要增大反应速率，可采取的办法是（）①减压

②加压

③升温

④降温

⑤及时从平衡混合物中分离出NH3

⑥充入N2或H2

⑦加催化剂

⑧减小N2或H2的物质的量A．③④⑤⑦

B．①②⑤⑥C．②⑥

D．②③⑥⑦CCO和NO都是汽车尾气中的有害物质，它们之间能缓慢发生反应：2NO（g）＋2CO（g）N2（g）＋2CO2（g）ΔH＜0，现利用此反应，拟设计一种环保装置，用来消除汽车尾气对大气的污染，下列设计方案可以提高尾气处理效果的是（）①选用合适的催化剂

②提高装置温度

③降低装置的压强

④向装置中放入碱石灰A．①③

B．②④C．①④

D．②③C八、课堂小结(2017·全国卷Ⅱ，27)丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题：(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1­-丁烯(C4H8)的热化学方程式如下：①C4H10(g)=C4H8(g)＋H2(g)

ΔH1反应①的ΔH1为_______kJ·mol－1。图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x_______(填“大于”或“小于”)0.1；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是________(填标号)。A.升高温度

B.降低温度C.增大压强

D.降低压强＋123小于AD(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势，其降低的原因是______________________________________________________。氢气是产物之一，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率增大解析反应初期，H2可以活化催化剂，进料气中n(氢气)/n(丁烷)较小，丁烷浓度大，反应向正反应方向进行的程度大，丁烯转化率升高；随着进料气中n(氢气)/n(丁烷)增大，原料中过量的H2会使反应①平衡逆向移动，所以丁烯转化率下降。(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590℃之前随温度升高而增大的原因可能是___________________________________________、_________________________________；590℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是__________________________________。升高温度有利于反应向吸热方向进行升高温度时，反应速率加快丁烯高温裂解生成短碳链烃类解析590℃之前，温度升高时反应速率加快，生成的丁烯会更多，同时由于反应①是吸热反应，升高温度平衡正向移动，平衡体系中会含有更多的丁烯。而温度超过590℃时，丁烯高温会裂解生成短碳链烃类，使产率降低。[2018·浙江4月选考，30(二)]乙酸乙酯一般通过乙酸和乙醇酯化合成：已知纯物质和相关恒沸混合物的常压沸点如下表：纯物质沸点/℃恒沸混合物(质量分数)沸点/℃乙醇78.3乙酸乙酯(0.92)＋水(0.08)70.4乙酸117.9乙酸乙酯(0.69)＋乙醇(0.31)71.8乙酸乙酯77.1乙酸乙酯(0.83)＋乙醇(0.08)＋水(0.09)70.2请完成：(1)关于该反应，下列说法不合理的是_____。A.反应体系中硫酸有催化作用B.因为化学方程式前后物质的化学计量数之和相等，所以反应的ΔS等于零C.因为反应的ΔH

接近于零，所以温度变化对平衡转化率的影响大D.因为反应前后都是液态物质，所以压强变化对化学平衡的影响可忽略不计BC焓变接近于零，说明温度对于平衡移动的影响小，C不合理；(2)一定温度下该反应的平衡常数K＝4.0。若按化学方程式中乙酸和乙醇的化学计量数比例投料，则乙酸乙酯的平衡产率y＝_______________；若乙酸和乙醇的物质的量之比为n∶1，相应平衡体系中乙酸乙酯的物质的量分数为x，请在图2中绘制x随n变化的示意图(计算时不计副反应)。0.667(或66.7%)起始

1mol

1mol00转化

amol

amolamolamol平衡

(1－a)mol(1－a)molamolamol乙酸与乙醇按照化学计量数比投料时，乙酸乙酯的物质的量分数达到最大值，所以n＝1时，乙酸乙酯的质量分数在最高点，两边依次减小。(2)一定温度下该反应的平衡常数K＝4.0。若按化学方程式中乙酸和乙醇的化学计量数比例投料，则乙酸乙酯的平衡产率y＝_______________；若乙酸和乙醇的物质的量之比为n∶1，相应平衡体系中乙酸乙酯的物质的量分数为x，请在图2中绘制x随n变化的示意图(计算时不计副反应)。(3)工业上多采用乙酸过量的方法，将合成塔中乙酸、乙醇和硫酸混合液加热至110℃左右发生酯化反应并回流，直到塔顶温度达到70～71℃，开始从塔顶出料。控制乙酸过量的作用有___________________________________________。提高乙醇转化率；减少恒沸混合物中乙醇的含量解析根据可逆反应平衡移动知识，乙酸过量的作用有提高乙醇转化率；减少恒沸混合物中乙醇的含量。(4)近年，科学家研究了乙醇催化合成乙酸乙酯的新方法：在常压下反应，冷凝收集，测得常温下液态收集物中主要产物的质量分数如图3所示。关于该方法，下列推测合理的是__________。A.反应温度不宜超过300℃B.增大体系压强，有利于提高乙醇平衡转化率C.在催化剂作用下，乙