2.4 化学反应的调控(共22张PPT).pptx

(共22张PPT)
第四节　化学反应的调控
第二章　化学反应速率和化学平衡
知识回顾
1、影响反应速率的因素
浓度
C
V
温度
压强
催化剂
V
T
P
V
加催
V
2、影响平衡的因素
浓度
温度
压强
平衡正向移动
提高产率
合成氨工业是关系我国国民经济的重要行业，是我国化肥工业的基础，也是传统煤化工的重要组成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡胶等；氨在冶金、机械加工、电子、造纸等行业用途广泛。
制尿素
制纯碱
制硝酸
制冷剂
合成氨的应用
向空气要面包
—合成氨中的化学问题
思考探究
工业生产中应该考虑那些问题呢？
速率
产率
经济
成本
安全条件
设备
条件
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
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，
ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1
(1)可逆性：反应为 反应。
(2)体积变化（熵变）：ΔS 0，正反应是气体体积 的反应。
(3)焓变：ΔH 0，是放热反应。
(4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS 0， 自发进行
一、合成氨反应的原理分析
可逆
减小
<
<
<
能
工业合成氨时主要考虑的因素？
（3）便宜
（4）绿色
（2）快
（1）多
即提高平衡混合物里氨的含量
——化学平衡问题
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。
保护环境，对设备的要求。
【交流·研讨】
在实际工业生产过程中如何选择反应的条件？
2、工业合成氨生产条件的选择
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
增大反应物浓度
增大反应物浓度、及时分离生成物
升高温度
降低温度
增大压强
增大压强
使用催化剂
无影响
（1）合成氨反应原理分析
以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量
温度/℃ 氨的含量/% 0.1MPa 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
（2）合成氨反应的数据分析
温度升高，氨的含量降低，产率减小，但反应速率快。
压强增大，氨的含量提高，产率增加，反应速率也快。
3、合成氨反应条件的控制
1、压强
但是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，
这将会大大增加生产投资，
并可能降低综合经济效益。
目前，我国的合成氨厂
一般采用的压强为10～30MPa
压强越大，速率、转化率都大
综合分析
2、温度
综合分析
低温能提高平衡转化率，但速率慢，到达平衡时间长，经济效益差
高温温能提高速率，但转化率小，且催化剂在500 ℃时活性最大
目前，一般采用的温度为400 ~ 500 ℃
3、催化剂
催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。
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。
格哈德·埃特尔
2007年诺贝尔化学奖——证实了氢气与氮气在铁催化剂表面合成氨的反应过程
图2：催化剂不同温度下的催化能力
②混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化
注意：
①催化剂铁触媒在500 ℃左右时的活性最大
4、浓度
图：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线
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，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。
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。
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
小结：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）参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素；
1、影响化学反应进行的因素
（2）温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。
二、化学反应的调控
2、化学反应的调控
（1）含义：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）考虑实际因素
a.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，寻找合适的生产条件。
b.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。
课堂总结
(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。 ( )
(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。( )
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
×
×
√
×
×
×
1．在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有（ ）
①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大
③升高温度 ④降低温度
⑤恒温恒容，再充入N2和H2 ⑥恒温恒压，再充入N2和H2
⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用催化剂
2．有平衡体系:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0。为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应采取的正确措施是(　　)
A.高温,高压 B.适宜温度,高压,催化剂
C.低温,低压 D.高温,高压,催化剂
②⑤
B
3.下列事实能用勒夏特列原理解释的是(　　)
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B．由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深
C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D．将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应
4.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得,其中有一步反应为:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH<0,欲提高CO的转化率,可采用的方法是( )
①降低温度 ②减小压强 ③使用催化剂 ④升高温度
⑤增大水蒸气浓度
A.①②③ B.④⑤ C.①⑤ D.②⑤
D
C
（1）从理论上分析，为了使SO2尽可能多转化为SO3，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，通入过量空气，原因是__________
（5）尾气中的SO2必须回收，原因是__________
5.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：
2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) △H＝－196.6kJ/mol。
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。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/% 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
答案：
(1)低温、高压。
(2)该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；
此温度下催化剂的活性最高。
(3)0.1 MPa(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。
(4)增大O2浓度，提高SO2的转化率。
(5)SO2有毒，防止污染环境。