《化学反应的调控》课件

《化学反应的调控》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∙克鲁克斯先合成氨，再进一步将之转化为铵盐或者硝酸盐，变成了土壤可吸收的形式。最好的原料是空气，因为它其中富含氮元素。——卡尔·博施合成氨的提出合成氨存在的问题合成氨很难！调控外界条件:温度、浓度、压强、催化剂化学反应的调控化学反应速率化学平衡哈伯法合成氨1903年：哈伯发现在常温的条件下，氮、氢难以生成氨，在高温的条件下，氨太易于分解。在1000摄氏度时，合成氨只占到混合气体的0.01，根本没有意义。升高温度对反应有什么影响？N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1温度N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1温度25℃350℃400℃450℃600℃700℃平衡常数5×1081.8470.5070.1520.0092.6×10-3合成氨反应的平衡常数随温度的变化升高温度化学反应速率化学平衡速率加快平衡逆向移动温度实际预测：温度不宜过高也不宜过低结论温度的选择：快与少、慢与多的权衡1908年：哈伯成功地设计出一套精密的高压装置。罗塞格尔和他实验室的机械师们一起创造了新的阀门，将哈伯的设计变成了现实。增大压强对反应有什么影响？哈伯法合成氨压强N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1增大压强化学反应速率化学平衡速率加快平衡正向移动理论分析：实际预测：压强压强的选择—成本与效益的博弈压强越大,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。压强不宜过高也不宜过低结论催化剂N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1合成氨仍然存在的问题？显著改变反应速率加入催化剂化学反应速率化学平衡平衡不移动效果不够理想铀价格昂贵，性质过于敏感效果好，但储量极少铁锇铀催化剂含铅镁的铁效果好，原料易得，性质稳定催化剂N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-12007年Ertl证实了N2与H2在催化剂表面合成氨的反应历程如图所示。扩散→吸附→表面反应→脱附→扩散。合成氨的研究历程“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、降低成本合成氨的研究历程温度不宜过高也不宜过低压强不宜过高也不宜过低加入含铅镁的铁做催化剂数据分析已知：合成氨的催化剂在500℃左右时活性最大催化剂反应速率温度500℃左右转化率温度降低温度数据分析数据分析温度/℃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不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量（体积分数）浓度N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1增大反应物浓度化学平衡平衡正向移动降低生成物浓度及时补充N2和H2增大反应物浓度原料气循环通过合成塔原料气循环利用浓度还有什么办法可以提高氨的产率？浓度降低生成物的浓度将氨气及时从气态混合物中分离出去铁触媒催化剂400～500℃合成氨常用的生产条件10MPa～30MPa原料气循环利用

及时分离出氨气400～500℃10MPa～30MPa解决实际问题

在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化为SO3：2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1。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。

（1）从理论分析，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

。（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

。温度/℃平衡时SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3解决实际问题

（5）工业上采用接触法制备硫酸，V2O5做催化剂，有人提出如下反应历程：

（6）尾气中的SO2必须回收，原因是

。化工生产中调控反应的一般思路化学平衡实践层面设备可行原理分析反应速率成本核算思想理念“绿色化学”可持续发展化学反应随堂练习

1.1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是A.①②③ B.②④⑤

C.①③⑤ D.②③④√N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1随堂练习

2.据报道，在300℃、70MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)

CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是A.使用Cu­-Zn­-Fe催化剂可大大提高生产效率B.反应需在300℃下进行可推测该反应是吸热反应C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率√⇌随堂练习

3.某温度下，对于反应:N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝－92.4kJ·mol－1

N2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、3mol氢气置于1L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4kJB.平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)<K(B)C.上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的

转化率增大D.升高温度，平衡常数K增大√⇌任务化工生产反应条件的优化与选择[问题探究]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=-198kJ·mol-1。(已知催化剂是V2O5,在400~500℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率:温度转化率1×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.5%99.2%99.6%99.7%550℃85.6%94.9%97.7%98.3%1.根据化学理论和以上数据综合分析,为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫,可控制的条件是什么?提示

常压、450

℃、催化剂。2.在实际生产中,选定400~500℃作为操作温度,其原因是什么?提示

兼顾速率和平衡,且在此温度下催化剂的活性最高。3.根据上表中的数据分析,制取SO3时为什么不采用高压?提示

在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%),若采用高压,平衡能向右移动,但效果并不明显,且采用高压时会增大设备的成本,得不偿失。4.在生产中,通入过量空气的目的是什么?提示

增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率。5.尾气中的SO2必须回收的目的是什么?提示

防止污染环境;循环利用,提高原料的利用率。[深化拓展]工业生产中选择适宜生产条件的原则外界条件有利于增大反应速率的条件控制有利于平衡正向移动的条件控制综合分析结果浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度、减小生成物的浓度不断地补充反应物、及时地分离出生成物催化剂加合适的催化剂不需要加合适的催化剂外界条件有利于增大反应速率的条件控制有利于平衡正向移动的条件控制综合分析结果温度高温ΔH<0低温兼顾速率和平衡,考虑催化剂的适宜温度ΔH>0高温在设备条件允许的前提下,尽量采取高温并考虑催化剂的活性压强高压(有气体参加)反应后气体体积减小的反应高压在设备条件允许的前提下,尽量采取高压反应后气体体积增大的反应低压兼顾速率和平衡,选取适宜的压强[素能应用]典例有关合成氨工业的说法正确的是(

)A.增大H2的浓度,可提高H2的转化率B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中会循环使用,所以总体来说氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在400~500℃,目的是使化学平衡向正反应方向移动D.合成氨厂采用的压强是10MPa~30MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大答案

B解析

A项,增大H2的浓度,H2的转化率减小;C项,温度控制在400~500

℃主要是为了兼顾速率与平衡,且500

℃左右时催化剂活性最大;D项,压强采用10

MPa~30

MPa主要是考虑对设备材料的要求。变式训练1硫酸是一种重要的化工产品,目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2+O22SO3的说法中正确的是(

)A.只要选择适宜的条件,SO2和O2就能全部转化为SO3B.该反应达到平衡后,反应就完全停止了,即正、逆反应速率均为零C.在达到平衡的体系中,充入由18O原子组成的O2后,SO2中18O含量减少,SO3中18O含量增多D.在工业合成SO3时,要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题答案

D解析

该反应为可逆反应,SO2和O2不能全部转化为SO3,A错;达到平衡后反应不停止,正、逆反应速率相等,B错;达到平衡后充入由18O原子组成的O2,平衡正向移动,SO3中18O含量增多,因为反应可逆,SO2中18O含量也增多,C