2.4 化学反应的调控 高二化学同步(新教材人教版选择性必修1)

一般采用的温度为400~500 ℃。 【思考2】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、慢与多的权衡
提示: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。
随堂练习
工业上合成氨一般采用400~500 ℃的温度,其原因是 ( D )
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。
【小结·反思】 工业上利用某可逆反应生产产品：
一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速 率，提高生产效率，也提高了经济效益；
选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度； 选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平 衡，还要考虑动力、材料流程
合成氨流程简图
第四节 化学反应的调控
思考：假如你是一个化工厂的老板对工业生产 你主要应考虑哪些问题？
1、经济效益 2、社会效益
提
单位时间里提高合成氨的产量
高 综
理 论
（从化学反应的速率考虑） 提高平衡混合物中氨的含量
合
（从化学平衡的移动考虑）
经
济 效 益
实 际
从生产成本、动力、材料、设备等对上述 理论探讨进一步论证，以得出合理的结论。
即提高单位时间里氨的产量 ——化学反应速率问题
降低成本，提高原料利用率。
（4）绿色 保护环境，对设备的要求。
【交流·研讨】~ 多
NH3% 根据此反应特点分析，什么条件有利于合成氨？
0.6 0.外5 界条件
0.4 浓0.度3 N2、H2
0.2 NH3 温度
0.1 压强
1催:1化剂1:2
增大NH3的含量 化学平衡角度
的是( D )
A.工艺涉及催化技术 B.工艺涉及高温高压技术 C.原料之一的氮气来自空气 D.从合成塔出来的气体中,氨的体积分数为100%
（二）流程分析
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 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。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。 ( × ) (2)合成氨反应中,压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。 ( √ ) (3)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。 ( × ) (4)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 ( × ) (5)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。 ( ×)
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。
温
15.3 度 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
升
2.2
高 ，
52.0
0.4
氨 的
25.1
64.2 71.0 84.2 92.6
压强增大，氨的含量增大 38.2 47.0 65.2 79.8
0.1
含 量
10.6
19.1
26.4
42.2
57.5
0.05
降 低
4.5
9.1 13.8 23.1 31.4
合 成
压缩机
塔
氢氮混合气
水冷器 循环气体
氨 分 离 器
液 氨 循环压缩机
随堂练习
合成氨工业有下列流程：①原料气制备；② 氨的合成；③原料气净化和压缩；④氨的分
离。其先后顺序为( B )
A．①②③④ B．①③ ② ④
C．④③②① D．②③④①
随堂练习
NH3是一种重要的工业原料。下列关于合成氨的说法中,不正确
1、影响化学反应速率的因素有哪些
反应物表面积、反应物浓度、温度、能引起气体 反应物浓度改变的压强、催化剂
2、影响化学平衡移动的因素有哪些？
浓度、压强、温度
勒夏特列原理：如果改变影响平衡的一个条件（如 浓度、压强或温度等），平衡就向能够减弱这种改 变的方向移动。
1．合成氨反应的特点
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，
浓度
N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混 合气中分离出去
随堂练习
利用原料气在合成塔中合成NH3,为提高N2的转化率所采取的措
施是( B )
A.高温
B.高压
C.使用催化剂
D.增大N2的浓度
随堂练习
有关合成氨工业的说法中,正确的是( B )
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10 MPa~30 MPa,因为该压强下铁触媒的 活性最大
外界条件
提高合成NH3的速率 化学速率角度
浓度 N2、H2 NH3
温度 压强 催化剂
增大N2、H2的浓度，提高氢气压强更有利 于提高反应速率，其物质的量之比应<1:3
及时转移走NH3 高温 高压 正催化剂
合成氨的适宜条件的选择
外界条件
使NH3生产得快 速率分析
使NH3生产得多 平衡分析
理论选择 适宜条件
(6)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行。
( ×)
随堂练习
某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g)⇌2M(g) ΔH<0。下列有关该工业
生产的说法正确的是( D )
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价廉易得,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
【交流·研讨】~ 多
根据此反应特点分析，什么条件有利于合成氨？
外界条件
增大NH3的含量 化学平衡角度
浓度 N2、H2 NH3
温度 压强 催化剂
增大N2、H2的浓度，其物质的量 之比为1:3时，NH3的含量最高
及时转移走NH3 低温 高压
无影响
【交流·研讨】~ 快 根据此反应特点分析，什么条件有利于提高合成氨 的速率？
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
（四）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。
四、影响化学反应进行的两个因素
（一）参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素 （二）温度、压强、浓度、催化剂等反应条件
五、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。
反应物 的浓度
增大浓度
增大浓度 增大浓度
压强 催化剂
温度
高压 一致 高压
使用
无影响
高温 矛盾 低温
高压
？ ？
（一）压强： 合成氨厂一般采用的压强 为10 MPa~30 Mpa。
【思考1】合成氨时压强越大越好,为何不 采用比30 MPa更大的压强?
压强的选择—成本与效益的博弈
提示: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。
①适当提高氨的合成速率 ②提高H2的转化率 ③提高氨的产 率 ④催化剂在500 ℃左右活性最大
A.只有①
B.只有①②
C.②③④
D.只有①④
（三）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。
ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1
(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)焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0。 (4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行
【交流·研讨】
工业合成氨时主要考虑的因素？
（1）多 （2）快 （3）便宜
即提高平衡混合物里氨的含量 ——化学平衡问题
【思考】合成氨工业采用迅速冷却法,使气态氨变为液氨后及时从混合物中 分离出去的目的是什么?
提示:使化学平衡向生成氨的方向移动。
适宜条件
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10 ～30 MPa)
温度 催化剂
适宜温度，400～500 ℃ 使用铁触媒做催化剂
增大N2、H2的浓度，其物质的量 之比为1:3时，NH3的含量最高
及时转移走NH3
1:3 1:4 1:5 1:6N2:H2
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 ]
NH3含 压强 量/% /MPa
0.1
10
20 30 60 100
温度/℃
200 300 400 500 600