2.4化学反应的调控+课件+-2026-2027学年高二上学期化学人教版选择性必修1

2.4化学反应的调控生活有许多人类对化学反应的调控示例：降温以此延长储存时间降低温度以此灭火刷油漆以此防锈实际对化学反应的调控在工业上的应用更为广泛化工生产中，对化学反应的调控，应该注意哪些问题呢?下面我们以工业合成氨生产条件的选择为例，研究化学反应的调控问题。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1898年，英国科学家克鲁克斯发出了“向空气要氮肥”的号召【思考】如果将合成氨原理投入化工生产，如何为工厂设计合成氨的条件？可以从哪些方面来考虑？(1)生产的可行性(4)原料(5)设备、安全等(3)快(2)多(6)综合经济效益即提高氨的含量——化学平衡（限度）问题即提高单位时间里氨的产量——化学反应速率问题化学反应的方向问题效益最大化：经济效益和社会效益(好)N2:空气中分离（液化，蒸发）；H2:煤、焦炭与水蒸气

C+H2O(g)=CO+H2固氮的可行性分析1.从反应的方向性视角(1)自然固氮N2＋O22NO放电或高温ΔH＝＋180.5kJ/molΔS＝＋25.0J/(mol·K)(2)人工固氮N2＋3H22NH3高温、高压催化剂ΔH＝－92.2kJ/molΔS＝－198.1

J/(mol·K)ΔH＞0ΔS＞0高温下反应能自发进行ΔH＜0ΔS＜0低温下反应能自发进行固氮的可行性分析2.从反应限度视角

(1)自然固氮(2)人工固氮

【理论分析】人工固氮合成氨在常温下可以自发，平衡常数大，

反应进行程度大，具有可实行性3.合成氨的可行性18世纪末，有人试图在常温常压下合成氨，也有人在常温加压下进行实验，都失败了1909年7月建成的实验装置每小时生产90g氨哈勃制氨的产率约为6%理论分析合成氨的反应条件1.合成氨的反应特点

(1)自发性：(2)可逆性：(3)熵变：(4)焓变：常温(298K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行反应为可逆反应ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应ΔH<0，是放热反应理论分析合成氨的反应条件2.合成氨的原理分析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

【思考】根据合成氨反应的特点，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？c(反)增大升高增大使用催化剂降低无影响c(反)增大或c(生)减小增大理论分析合成氨的反应条件3.合成氨的数据分析在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。温度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.4压强越大，NH3%越大温度越低，NH3%越大。一定条件下，按反应物的化学计量数之比投料，平衡时生成物的百分含量最高实验数据表明应采取的措施与理论一致。理论分析合成氨的反应条件4.合成氨反应的结论分析

①升高温度，化学反应速率加快，氨的含量降低两者矛盾②增大压强，化学反应速率加快，氨的含量增大两者一致那么实际生成中到底选择哪些适宜的条件呢？5.合成氨反应工艺条件的选择①注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性和矛盾性②注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性，又要注意催化剂活性对温度的要求③既要注意理论上的要求，还要考虑化工生产中动力、材料和设备条件合成氨工艺条件的选择1.压强

400℃下平衡时氨的体积分数随压强的变化示意图压强/MPaNH3的体积分数/%80604020406080100200①原理分析：合成氨时压强越大越好②实际分析：

压强大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，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③结论：目前，一般采用的压强为10MPa~30MPa合成氨工艺条件的选择2.温度90200温度／℃4003006005008070604030502010010MPa下平衡时氨的体积分数随温度的变化示意图NH3的体积分数/%①原理分析：根据平衡移动原理，合成氨应采用低温以提高平衡转化率②实际分析：

温度降低会使反应速率减小，达到平衡时间变长，这在工业生产中是很不经济的③结论：目前，一般采用的温度为400~500℃。合成氨工艺条件的选择3.催化剂①原理分析：使用催化剂能改变反应历程，降低反应活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应目前合成氨工业中普遍使用的是铁触媒②实际分析：铁触媒在500℃左右时活性最大，这也是合成氨一般选择400~500℃进行的重要原因铁触媒【注意】需防止原料气中混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化弗里茨·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。合成氨工艺条件的选择在500℃、30MPa条件下，氨的平衡体积分数只有26.4%即平衡时N2和H2转化率不够高在实际生产中，还要考虑浓度对化学平衡的影响合成氨工艺条件的选择4.浓度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。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。合成氨工艺条件的选择【总结】

压强：10MPa~30MPa反应速率较快、平衡正向移动温度：400~500℃反应速率较快、催化剂活性较大催化剂：铁触媒反应速率较快，缩短到达平衡时间浓度：N2和H2的投料比为1:3、及时分离氨、原料气循环使用。反应速率较快、提高氢气的转化率

到目前为止，氨的合成实现工业化生产已经100多年了，使用的催化剂和当初开发的依然类似。据统计，全世界在合成氨工业上消耗的能源占全人类能源消耗的1%~2%。

为了降低合成氨的能耗，人们一直试图对合成条件进行优化。

2016年，中国科学院大连物理化学研究所的研究团队研制了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350℃、1MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破，为发展更加节能的催化剂提供了新的思路哈伯（1918年）合成氨的基础开发工

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“天机”合成氨与三次诺贝尔化学奖调控化学反应的一般思路1.确定反应，了解反应特点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(1)反应速率：既不能过快，又不能太慢(2)化学平衡：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(1)增加易得廉价原料，提高难得高价原料转化率；②原料的循环利用(2)实际生产能力：能耗，设备承受高温、高压能力等(3)催化剂：对温度的限制，对原料纯度的要求（防中毒）(4)环保：减小污染物的排放，尾气的回收和处理课堂练习【课本】P511.合成氨工业中采用循环操作，主要是为了（

）A.增大化学反应速率B.提高平衡混合物中氨的含量C.降低氨的沸点D.提高氮气和氢气的利用率2.在密闭容器中，通入amolN2和bmolH2，在一定条件下反应达到平衡时，容器剩余cmolN2。(1)达到平衡时，生成NH3的物质的量为_______________(2)达到平衡时，H2的转化率为_______________(3)若把容器的容积减小到原来的1/2，则正反应速率_________(填“增大”“减小”或“不变”，下同)，逆反应速率_________，N2的转化率_________D2(a-c)mol3(a-c)b×100%增大增大增大课堂练习【课本】P51

温度/℃平衡时SO2的转化率%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(1)从理论上分析，使SO2尽可能多、尽可能快地转化为SO3，应选择的条件是________________低温、高压(2)在实际生产中，选定450℃，其原因是_________________________________________________________________________________________温度较高，反应物转化率降低；此温度下催化剂的活性最高。温度较低，反应速率减小，耗时长；课堂练习【课本】P51

温度/℃平衡时SO2的转化率%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(3)在实际生产中，采用的压强为常压，其原因是________________0.1MPa(常压)下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，不仅SO2的转化率提高很少，且需要更大动力，对设备的要求更高，增加成本。课堂练习【课本】P51

温度/℃平衡时SO2的转化率%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(4)在实际生产中，通入过量的空气，其原因是______________________增大O2浓度，提高SO2的转化率(5)尾气中的SO2必须回收，其原因是______________________SO2有毒，防止污染环境；提高原料利用率课堂练习【课本】P51

低温、高压高温、低压课堂练习【课本】P51

(1)在生产中，欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，可采取哪些措施？增大H2O浓度、降温课堂练习【课本】P51

(2)在容积不变的密闭容器中，将2.0molCO与8.0molH2O混合加热到830℃发生上述反应，达到平衡时CO的转化率是80%，计算该反应的平衡常数。【解】设反应容积为1L，依题可知CO浓度变化量为2×80%=1.6mol/LCO(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+H2(g)c始/mol·L-12800△c/mol·L-11.61.61.61.6c末/mol·L-10.46.41.61.61.6×1.60.4×6.4K＝＝1课堂练习【课本】P51

(2)实验发现，在其他条件不变，相同时间内，向上述体系投入一定量的CaO可以增大H2的平衡体积分数。对比实验的结果如右图所示。请思考：投入时CaO，H