化学人教版（2019）选择性必修1 2.4化学反应的调控（共17张ppt）
文档属性
| 名称 | 化学人教版（2019）选择性必修1 2.4化学反应的调控（共17张ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 4.1MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2022-12-31 18:55:33 | ||
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文档简介
(共17张PPT)
第二章
化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
克鲁克斯
重走固氮路
1898年
德国化学家弗兰克等人研究出氮气、碳化钙、水汽制氨气，并设立工厂，但生产成本较高
1898年
英国科学家克鲁克斯发出“向空气要氮肥”的号召
N2(g)+3H2(g) 2NH3 (g)
方案一：
方案二：
N2(g) + O2(g) 2NO (g)
重走固氮路
思考:你选择哪套方案实现固氮 理由是什么
N2(g)+3H2(g) 2NH3 (g)
方案一：
方案二：
N2(g) + O2(g) 2NO (g)
重走固氮路
1902年
德国化学家哈伯研究
氮气与氢气合成氨
1909年
“哈伯-博施法”合成氨
哈伯完成了合成氨的基础研究工作，博施实现了合成氨的工业化，两人先后获得诺贝尔奖
用空气生成面包的德国化学家哈伯和博施
世界人口变化图
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。
已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，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。
合成氨反应的限度、速率
1．合成氨反应的特点
（1）合成氨的原理分析；根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1
对合成氨反应的影响 影响因素
浓度
反应物 生成物 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
增大
增大
升温
降温
增大
使用
工业合成氨生成条件的选择
无影响
减小
增大
无影响
（2）合成氨反应的数据分析；下表的实验数据是在不同温度、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/%
0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.1 13.8 23.1 31.4
若追求速度，怎么选条件？
若追求产率，怎么选条件？
（一）压强：
三、寻找工业合成氨的适宜条件
合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 Mpa。
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—成本与效益的博弈
（二）温度：
一般采用的温度为400~500 ℃
温度的选择—快与少、慢与多的权衡
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。
合成氨反应为什么慢？
（三）催化剂
怎样降低反应的活化能？
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。
合成氨催化剂的选择
据统计，约90%以上的化学工业过程中都使用催化剂。合成氨需要用到催化剂铁触媒，为了寻找合适的催化剂，博施及其研究组进行了大量的试验，一直到1922年，共进行了超过2 500 种配方的20 000 多次试验，终于筛选出了合成氨工业用催化剂。尽管后来不断地改进，但这种类型的催化剂一直沿用至今。
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 ℃、1 MPa，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。
可见，催化剂在工业生产及能源问题中发挥着巨大作用。
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，怎么办？
温度/℃ 氨的含量/%
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4
（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（1:3）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。
综上，合成氨常用的生产条件：
使用催化剂 温度：400~500 ℃
压强: 10 MPa~30 Mpa 将氨及时分离出来，原料气循环使用
合成氨工业流程
1、干燥、净化：除去原料气中的杂质，
防止催化剂“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：NH3的液化需较低温度，迅速冷却使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离，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。
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
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。
考虑因素：促进有利的化学反应；控制化学反应速率；提高转化率。
需结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑，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。
接触法制硫酸的条件选择
接触法制硫酸
第二章
化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
克鲁克斯
重走固氮路
1898年
德国化学家弗兰克等人研究出氮气、碳化钙、水汽制氨气，并设立工厂，但生产成本较高
1898年
英国科学家克鲁克斯发出“向空气要氮肥”的号召
N2(g)+3H2(g) 2NH3 (g)
方案一：
方案二：
N2(g) + O2(g) 2NO (g)
重走固氮路
思考:你选择哪套方案实现固氮 理由是什么
N2(g)+3H2(g) 2NH3 (g)
方案一：
方案二：
N2(g) + O2(g) 2NO (g)
重走固氮路
1902年
德国化学家哈伯研究
氮气与氢气合成氨
1909年
“哈伯-博施法”合成氨
哈伯完成了合成氨的基础研究工作，博施实现了合成氨的工业化，两人先后获得诺贝尔奖
用空气生成面包的德国化学家哈伯和博施
世界人口变化图
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。
已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，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。
合成氨反应的限度、速率
1．合成氨反应的特点
（1）合成氨的原理分析；根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1
对合成氨反应的影响 影响因素
浓度
反应物 生成物 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
增大
增大
升温
降温
增大
使用
工业合成氨生成条件的选择
无影响
减小
增大
无影响
（2）合成氨反应的数据分析；下表的实验数据是在不同温度、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/%
0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.1 13.8 23.1 31.4
若追求速度，怎么选条件？
若追求产率，怎么选条件？
（一）压强：
三、寻找工业合成氨的适宜条件
合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 Mpa。
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—成本与效益的博弈
（二）温度：
一般采用的温度为400~500 ℃
温度的选择—快与少、慢与多的权衡
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。
合成氨反应为什么慢？
（三）催化剂
怎样降低反应的活化能？
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。
合成氨催化剂的选择
据统计，约90%以上的化学工业过程中都使用催化剂。合成氨需要用到催化剂铁触媒，为了寻找合适的催化剂，博施及其研究组进行了大量的试验，一直到1922年，共进行了超过2 500 种配方的20 000 多次试验，终于筛选出了合成氨工业用催化剂。尽管后来不断地改进，但这种类型的催化剂一直沿用至今。
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 ℃、1 MPa，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。
可见，催化剂在工业生产及能源问题中发挥着巨大作用。
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，怎么办？
温度/℃ 氨的含量/%
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4
（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（1:3）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。
综上，合成氨常用的生产条件：
使用催化剂 温度：400~500 ℃
压强: 10 MPa~30 Mpa 将氨及时分离出来，原料气循环使用
合成氨工业流程
1、干燥、净化：除去原料气中的杂质，
防止催化剂“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：NH3的液化需较低温度，迅速冷却使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离，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。
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
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。
考虑因素：促进有利的化学反应；控制化学反应速率；提高转化率。
需结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑，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。
接触法制硫酸的条件选择
接触法制硫酸