2.4 化学反应的调控 课件 (共19张PPT)2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修1
文档属性
| 名称 | 2.4 化学反应的调控 课件 (共19张PPT)2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修1 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 460.7KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-12-11 14:26:20 | ||
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文档简介
(共19张PPT)
第四节 化学反应的调控
第二章 化学反应速率与化学平衡
1．认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。
2．以工业合成氨为例，能从反应限度、反应速率等角度对化学反应和化工生产条件综合分析。
合成氨的意义
合成氨和尿素，可以说是化学工业最伟大的发明，对人类的贡献无论如何夸大都不为过。民以食为天，人类从诞生到1900年，几百万年时间，人口只有16亿。而1908年合成氨工业化，至现在100多年时间，人口增加到超过76亿，无疑合成氨是起了巨大的作用的。合成氨，诞生了化学肥料，使土地的粮食产量翻了几番，使地球才能养活这么多人口，而且不挨饿。这其中的意义是无法用语言来表达的。同时氨还是重要的无机化工产品，在国民经济中占有重要地位。除了作为肥料，也是生产硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等。合成氨工业诞生以后，用氨作炸药的原料，各种的炸药都是以氨为原料合成的，从而发生了人类诞生以来两次最大的战争，一战和二战，成为杀人的利器。可以说，合成氨是带着恶魔属性的天使。
氮气和氢气合成氨气的反应是可逆反应且转化率很低，选择怎样的条件更有利于氨气的合成呢？如何调控其反应条件呢？
1.合成氨反应的特点
①可逆性：反应为可逆反应。
②体积变化(熵变)：ΔS＜0，正反应是气体体积缩小的反应。
③焓变：ΔH＜0，是放热反应。
④自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS＜0，能自发进行。
一、合成氨反应的分析
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。
已知298K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
根据合成氨反应的特点，利用学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析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。
提高反应速率 提高平衡转化率
压强
温度
催化剂
浓度
增大压强
增大压强
升高温度
降低温度
使用
无影响
增大反应物浓度
增大反应物浓度，降低生成物浓度
2.原理分析
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
3.数据分析
增大合成氨反应速率的措施:升高温度、增大压强。
提高平衡混合气体中氨的含量措施:降低温度、增大压强。
所以，增大合成氨的反应速率和提高平衡混合物中氨的含量，在压强方面采取的措施是一致的，在温度方面采取的措施不一致。
二、工业合成氨的适宜条件
(1)压强
①原理分析：
压强越大越好。
②选用条件：
目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa。
③合成氨时不采用更高压强的理由：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，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。
1.条件讨论
(2)温度
①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。
②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃。
③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。
合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的另一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。
(3)催化剂
①原理分析：
在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。
②选用条件：
通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
③选择催化剂的理由：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。
为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
2.工业合成氨的适宜条件
①压强：
②温度：
③催化剂：
④浓度：
10～30MPa
400～500℃
使用铁触媒作催化剂
氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用及时补充N2和H2
合成氨生产流程示意图
①考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。
②考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等外界条件。
③选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况。
④选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。
3.选择工业合成适宜条件的原则
选择化工生产适宜条件的分析角度
分析角度 原则要求
从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动分析 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
从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的使用活性分析 注意催化剂的活性对温度的限制
(1)在合成氨中，为增加H2的转化率，充入的N2越多越好( )
(2)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行（ )
(3)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率( )
(4)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保 ( )
(5)合成氨反应选择在400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大( )
×
×
×
√
√
练一练
1.判断正误。
2．合成氨生产中，说法正确的是( )
A．使用催化剂，提高原料的利用率
B．采用高温、高压工艺提高氨的产率
C．产物用水吸收，剩余气体循环利用
D．增大反应物浓度，对v正影响更大
解析：A、催化剂不影响平衡移动，所以加入催化剂使反应速率加快，平衡不移动，故A错误；B、合成氨工厂通常采用高压(10 MPa～30 MPa)条件是催化剂的活性高，而不利于平衡的正向移动，高压有利用平衡向正反应方向移动，可提高氨的产率，故B错误；C、平衡混合气体是用冷水冷却，而不是用水吸收，故C错误；D、增大反应物浓度，正、逆反应的速率都加快，但对v正影响更大，故D正确。
D
3.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( )
解析:该反应是一个气体体积减小的放热反应,为增加甲醇的产量,需使平衡正向移动,理论上可采用低温、高压的方式,但在实际生产中还需考虑反应速率、设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。
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
B
4.硫酸是一种重要的化工产品,目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2+O2 2SO3的说法中正确的是( )
A.只要选择适宜的条件,SO2和O2就能全部转化为SO3
B.该反应达到平衡后,反应就完全停止了,即正、逆反应速率均为零
C.在达到平衡的体系中,充入由18O原子组成的O2后,SO2中18O含量减少,SO3中18O含量增多
D.在工业合成SO3时,要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题
D
解析:该反应为可逆反应,SO2和O2不能全部转化为SO3,A错;达到平衡后反应不停止,正、逆反应速率相等,B错;达到平衡后充入由18O原子组成的O2,平衡正向移动,SO3中18O含量增多,因为反应可逆,SO2中18O含量也增多,C错。
5.CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH (填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是___________________________________________________________________________________________________________。
<
在250 ℃、1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强，CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低
解析：从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH<0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在压强1.3×104 kPa下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求更高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。
第四节 化学反应的调控
第二章 化学反应速率与化学平衡
1．认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。
2．以工业合成氨为例，能从反应限度、反应速率等角度对化学反应和化工生产条件综合分析。
合成氨的意义
合成氨和尿素，可以说是化学工业最伟大的发明，对人类的贡献无论如何夸大都不为过。民以食为天，人类从诞生到1900年，几百万年时间，人口只有16亿。而1908年合成氨工业化，至现在100多年时间，人口增加到超过76亿，无疑合成氨是起了巨大的作用的。合成氨，诞生了化学肥料，使土地的粮食产量翻了几番，使地球才能养活这么多人口，而且不挨饿。这其中的意义是无法用语言来表达的。同时氨还是重要的无机化工产品，在国民经济中占有重要地位。除了作为肥料，也是生产硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等。合成氨工业诞生以后，用氨作炸药的原料，各种的炸药都是以氨为原料合成的，从而发生了人类诞生以来两次最大的战争，一战和二战，成为杀人的利器。可以说，合成氨是带着恶魔属性的天使。
氮气和氢气合成氨气的反应是可逆反应且转化率很低，选择怎样的条件更有利于氨气的合成呢？如何调控其反应条件呢？
1.合成氨反应的特点
①可逆性：反应为可逆反应。
②体积变化(熵变)：ΔS＜0，正反应是气体体积缩小的反应。
③焓变：ΔH＜0，是放热反应。
④自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS＜0，能自发进行。
一、合成氨反应的分析
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。
已知298K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
根据合成氨反应的特点，利用学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析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。
提高反应速率 提高平衡转化率
压强
温度
催化剂
浓度
增大压强
增大压强
升高温度
降低温度
使用
无影响
增大反应物浓度
增大反应物浓度，降低生成物浓度
2.原理分析
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
3.数据分析
增大合成氨反应速率的措施:升高温度、增大压强。
提高平衡混合气体中氨的含量措施:降低温度、增大压强。
所以，增大合成氨的反应速率和提高平衡混合物中氨的含量，在压强方面采取的措施是一致的，在温度方面采取的措施不一致。
二、工业合成氨的适宜条件
(1)压强
①原理分析：
压强越大越好。
②选用条件：
目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa。
③合成氨时不采用更高压强的理由：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，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。
1.条件讨论
(2)温度
①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。
②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃。
③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。
合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的另一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。
(3)催化剂
①原理分析：
在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。
②选用条件：
通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
③选择催化剂的理由：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。
为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
2.工业合成氨的适宜条件
①压强：
②温度：
③催化剂：
④浓度：
10～30MPa
400～500℃
使用铁触媒作催化剂
氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用及时补充N2和H2
合成氨生产流程示意图
①考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。
②考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等外界条件。
③选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况。
④选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。
3.选择工业合成适宜条件的原则
选择化工生产适宜条件的分析角度
分析角度 原则要求
从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动分析 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
从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的使用活性分析 注意催化剂的活性对温度的限制
(1)在合成氨中，为增加H2的转化率，充入的N2越多越好( )
(2)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行（ )
(3)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率( )
(4)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保 ( )
(5)合成氨反应选择在400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大( )
×
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练一练
1.判断正误。
2．合成氨生产中，说法正确的是( )
A．使用催化剂，提高原料的利用率
B．采用高温、高压工艺提高氨的产率
C．产物用水吸收，剩余气体循环利用
D．增大反应物浓度，对v正影响更大
解析：A、催化剂不影响平衡移动，所以加入催化剂使反应速率加快，平衡不移动，故A错误；B、合成氨工厂通常采用高压(10 MPa～30 MPa)条件是催化剂的活性高，而不利于平衡的正向移动，高压有利用平衡向正反应方向移动，可提高氨的产率，故B错误；C、平衡混合气体是用冷水冷却，而不是用水吸收，故C错误；D、增大反应物浓度，正、逆反应的速率都加快，但对v正影响更大，故D正确。
D
3.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( )
解析:该反应是一个气体体积减小的放热反应,为增加甲醇的产量,需使平衡正向移动,理论上可采用低温、高压的方式,但在实际生产中还需考虑反应速率、设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。
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
B
4.硫酸是一种重要的化工产品,目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2+O2 2SO3的说法中正确的是( )
A.只要选择适宜的条件,SO2和O2就能全部转化为SO3
B.该反应达到平衡后,反应就完全停止了,即正、逆反应速率均为零
C.在达到平衡的体系中,充入由18O原子组成的O2后,SO2中18O含量减少,SO3中18O含量增多
D.在工业合成SO3时,要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题
D
解析:该反应为可逆反应,SO2和O2不能全部转化为SO3,A错;达到平衡后反应不停止,正、逆反应速率相等,B错;达到平衡后充入由18O原子组成的O2,平衡正向移动,SO3中18O含量增多,因为反应可逆,SO2中18O含量也增多,C错。
5.CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH (填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是___________________________________________________________________________________________________________。
<
在250 ℃、1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强，CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低
解析：从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH<0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在压强1.3×104 kPa下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求更高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。