第四节 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

选择生产条件的原则：既要注意理论上的 需要，又要注意实际操作上的可能性。
合成氨工业中一般采用的温度为400-500℃，为什么不采用＜400℃的温度？ 升高温度，合成氨的反应速率加快，但氨的含量减小。【平衡、速率角度矛盾】
温度太低，反应速率太小，达到平衡 所需的时间变长，不经济。
图2-12 10MPa下平衡时氨的体积分数 随温度的变化示意图
催化剂不同温度下的催化能力
①催化剂铁触媒在500 ℃左右时的活性最大 ②混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化
吸附
表面反应
脱附
理解催化剂作用下的反应历程 扩散 → 吸附 → 表面反应 → 脱附 → 扩散
理解催化剂作用下的反应历程 决速步骤
吸附：N2(g) → N2(ad) H2(g) → H2(ad)
合成氨工业中一般采用的压强为10-30 Mpa，为什么不采用＞30 Mpa的压强？
压强增大，氨的含量增大，合成氨的反应速率加快。【平衡、速率角度一致】
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。
图2-11 400℃下平衡时的体积分数 随压强的变化示意图
使用铁触媒作催化剂
浓度
N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去
实际工业简要流程
N2和H2循环利用
H2 : N2 （2.8:1)
防催化 剂中毒
净化压缩合成分离冷凝造气、净化、合成氨
造气
液氨
总结工业生产中调控化学反应的一般思路和方法。
可自发 优先考虑催化剂 温度、浓度、压强等
19
温度
450 ℃ 550 ℃
1×105Pa 97.5 85.6
不同压强下SO2的转化率(%)
5×105Pa
1×106Pa
5×106Pa
98.9
99.2
99.6
92.9
94.9
97.7
1×107Pa 99.7 98.3
(2)应采用的压强是_1_×__1_0_5P__a，理由是：常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大 的压强，SO2的转化率提高很少，但需要动力更大，对设备的要求更高
防止催化剂“中毒”， 原料气必须经过净化
原料 循环 利用
催化剂活性 最大
分离产物
选择生产条件的原则：既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性， 又要注意催化剂活性对温度的限制。
归纳总结
外部条件
工业合成氨的适宜条件
压强 温度
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标 来选择压强
适宜温度 500℃左右
催化剂
3
1.NH3
可以进一步转化为
NH
4、NO
3
被植物吸收和利用;
2.该反应原料来源丰富;
3.合成氨反应 ΔH＜0，ΔS＜0，低温下反应能自发进行;
4
4.该反应在常温下反应限度较大。
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝−92.4 kJ•mol−1
(1) 多 提高平衡混合物里氨的含量
——化学平衡
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，但是实验测得适当提 高N2的浓度，从而增加N2的吸附浓度，加快决速步 骤的反应速率。即N2和H2的物质的量比为1：2.8时， 更能促进氨的合成。
图：NH3的平衡体积分 数随投料比变化的曲线
②及时分离生成的NH3，为N2和H2腾出更多可供吸附 的催化剂表面空间
大大提高转化率
“合成氨”中的中国人：
2016年,中国科学院大连化学物理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,为发展节能的催化剂提供了新的思路。
模型应用
已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH < 0的实验数据如下表:
(2) 快 提高单位时间里氨的产量
——化学反应速率
(3) 省 降低成本，提高原料利用率 (4) 好 保护环境，对设备的要求
如何调控反应条件使它满足工业化生产的要求呢?
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？
合成氨反应是放热的、气体体积缩小的可逆反应。
对合成氨反应的影响
浓度
(3)在合成SO3的过程中，不需要分离出SO3的原因是： SO2的转化率比较高，达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少
(4)生产中通入过量空气的目的是__增__大__O_2_浓__度__、__提__高__S_O_2_的__转__化__率__。
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温度
1×105Pa
不同压强下SO2的转化率(%)
5×105Pa
1×106Pa
5×106Pa
1×107Pa
450 ℃
97.5
98.9
99.2
99.6
99.7
550 ℃
85.6
92.9
94.9
97.7
98.3
(1)应选择的温度是__4_5_0_℃___，理由是
。
该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450 ℃反应物转化率较高
选择生产条件的原则：综合考虑影响化学 反应速率和化学平衡的因素，寻找合适且 符合实际需求的生产条件。
在高温高压下N2和H2的反应仍然十分缓慢，请提出合适的方法解决上述问题。 可以加入合适的催化剂，以改变反应历程，从而降低反应的活化能，
使反应物能较快地发生反应。 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。
民以食为天 吃不饱
如何使粮食增产呢？
粮食增产
吃的饱
[图片]
粮食危机
禾下乘凉梦 改良品种
肥料
1898年，英国科学家克鲁克斯发出了 “向空气要氮肥”的号召
制氮肥的原料
氮的固定 N2
氮肥
2
回顾学过的固氮反应，哪个反应可以实现工业化生产?
N2 + 3H2
高能 固氮
N2 + O2 = 2NO
生物 固氮
2NH3
表面反应： N2(ad) → 2N(ad) H2(ad) → 2H(ad) N(ad) + H(ad) → NH(ad) NH(ad) + H(ad) → NH2(ad) NH2(ad) + H(ad) → NH3(ad)
脱附：NH3(ad) → NH3(g)
2024/6/10
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?
影响因素
温度
压强
催化剂
增大合成氨的反应速率
增大 增大 增大
使用
提高平衡混合物中氨的含量 增大
降低
增大 无影响
任务二：合成氨条根件据的数选据择分析合成氨的条件
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) △H= -92.4KJ·mol-1
分析表中数据：压强相等时，温度越低，平衡时氨的含量越高； 降温 温度相等时，压强越大，平衡时氨的含量越高。 加压