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第四節 化學反應的調控
第二章 化學反應速率與化學平衡
1．認識化學反應速率和化學平衡的綜合調控在生產、生活和科學研究中的重要作用。
2．以工業合成氨為例，能從反應限度、反應速率等角度對化學反應和化工生產條件綜合分析。
合成氨的意義
合成氨和尿素，可以說是化學工業最偉大的發明，對人類的貢獻無論如何夸大都不為過。民以食為天，人類從誕生到1900年，幾百萬年時間，人口只有16億。而1908年合成氨工業化，至現在100多年時間，人口增加到超過76億，無疑合成氨是起了巨大的作用的。合成氨，誕生了化學肥料，使土地的糧食產量翻了幾番，使地球才能養活這么多人口，而且不挨餓。這其中的意義是無法用語言來表達的。同時氨還是重要的無機化工產品，在國民經濟中占有重要地位。除了作為肥料，也是生產硝酸、各種含氮的無機鹽及有機中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等。合成氨工業誕生以后，用氨作炸藥的原料，各種的炸藥都是以氨為原料合成的，從而發生了人類誕生以來兩次最大的戰爭，一戰和二戰，成為殺人的利器。可以說，合成氨是帶著惡魔屬性的天使。
氮氣和氫氣合成氨氣的反應是可逆反應且轉化率很低，選擇怎樣的條件更有利于氨氣的合成呢？如何調控其反應條件呢？
1.合成氨反應的特點
①可逆性：反應為可逆反應。
②體積變化(熵變)：ΔS＜0，正反應是氣體體積縮小的反應。
③焓變：ΔH＜0，是放熱反應。
④自發性：常溫(298 K)下，ΔH－TΔS＜0，能自發進行。
一、合成氨反應的分析
合成氨反應：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。
已知298K時：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
根據合成氨反應的特點，利用學過的影響反應速率的因素和勒夏特列原理分析應如何選擇反應條件，以增大合成氨的反應速率、提高平衡混合物中氨的含量。
提高反應速率 提高平衡轉化率
壓強
溫度
催化劑
濃度
增大壓強
增大壓強
升高溫度
降低溫度
使用
無影響
增大反應物濃度
增大反應物濃度，降低生成物濃度
2.原理分析
溫度 / ℃ 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.數據分析
增大合成氨反應速率的措施:升高溫度、增大壓強。
提高平衡混合氣體中氨的含量措施:降低溫度、增大壓強。
所以，增大合成氨的反應速率和提高平衡混合物中氨的含量，在壓強方面采取的措施是一致的，在溫度方面采取的措施不一致。
二、工業合成氨的適宜條件
(1)壓強
①原理分析：
壓強越大越好。
②選用條件：
目前，我國合成氨廠一般采用的壓強為10～30MPa。
③合成氨時不采用更高壓強的理由：壓強越大，對材料的強度和設備的制造要求也越高，需要的動力也越大，這將會大大增加生產投資，并可能降低綜合經濟效益。
1.條件討論
(2)溫度
①原理分析：低溫有利于提高原料的平衡轉化率。
②選用條件：目前，在實際生產中一般采用的溫度為400～500℃。
③不采用低溫的理由：溫度降低會使化學反應速率減小，達到平衡所需時間變長，這在工業生產中是很不經濟的。
合成氨反應一般選擇400～500 ℃進行的另一重要原因為鐵觸媒在500 ℃左右時的活性最大。
(3)催化劑
①原理分析：
在高溫、高壓下，N2和H2的反應速率仍然很慢。
②選用條件：
通常采用加入以鐵為主體的多成分催化劑，又稱鐵觸媒。
③選擇催化劑的理由：改變反應歷程，降低反應的活化能，使反應物在較低溫度時能較快地進行反應。
為了防止混有的雜質使催化劑“中毒”，原料氣必須經過凈化。
2.工業合成氨的適宜條件
①壓強：
②溫度：
③催化劑：
④濃度：
10～30MPa
400～500℃
使用鐵觸媒作催化劑
氨及時從混合氣中分離出去，剩余氣體循環使用及時補充N2和H2
合成氨生產流程示意圖
①考慮參加反應的物質組成、結構和性質等本身因素。
②考慮影響化學反應速率和平衡的溫度、壓強、濃度、催化劑等外界條件。
③選擇適宜的生產條件還要考慮設備條件、安全操作、經濟成本等情況。
④選擇適宜的生產條件還要考慮環境保護及社會效益等方面的規定和要求。
3.選擇工業合成適宜條件的原則
選擇化工生產適宜條件的分析角度
分析角度 原則要求
從化學反應速率分析 既不能過快，又不能太慢
從化學平衡移動分析 既要注意外界條件對速率和平衡影響的一致性，又要注意二者影響的矛盾性
從原料的利用率分析 增加易得廉價原料，提高難得高價原料的利用率，從而降低生產成本
從實際生產能力分析 如設備承受高溫、高壓能力等
從催化劑的使用活性分析 注意催化劑的活性對溫度的限制
(1)在合成氨中，為增加H2的轉化率，充入的N2越多越好(　　)
(2)工業合成氨的反應是ΔH<0、ΔS<0的反應，在任何溫度下都可自發進行（ 　)
(3)使氣態氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出去，可提高原料的利用率(　　)
(4)在工業生產條件優化時，只考慮經濟性就行，不用考慮環保 (　　)
(5)合成氨反應選擇在400～500 ℃進行的重要原因是催化劑在500 ℃左右時的活性最大(　　)
×
×
×
√
√
練一練
1.判斷正誤。
2．合成氨生產中，說法正確的是(　　)
A．使用催化劑，提高原料的利用率
B．采用高溫、高壓工藝提高氨的產率
C．產物用水吸收，剩余氣體循環利用
D．增大反應物濃度，對v正影響更大
解析：A、催化劑不影響平衡移動，所以加入催化劑使反應速率加快，平衡不移動，故A錯誤；B、合成氨工廠通常采用高壓(10 MPa～30 MPa)條件是催化劑的活性高，而不利于平衡的正向移動，高壓有利用平衡向正反應方向移動，可提高氨的產率，故B錯誤；C、平衡混合氣體是用冷水冷卻，而不是用水吸收，故C錯誤；D、增大反應物濃度，正、逆反應的速率都加快，但對v正影響更大，故D正確。
D
3.有平衡體系:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0。為了增加甲醇(CH3OH)的產量,應采取的正確措施是(　　)
解析:該反應是一個氣體體積減小的放熱反應,為增加甲醇的產量,需使平衡正向移動,理論上可采用低溫、高壓的方式,但在實際生產中還需考慮反應速率、設備承受的壓力及催化劑的活性等因素的影響。
A.高溫,高壓
B.適宜溫度,高壓,催化劑
C.低溫,低壓
D.高溫,高壓,催化劑
B　
4.硫酸是一種重要的化工產品,目前主要采用“接觸法”進行生產。有關接觸氧化反應2SO2+O2 2SO3的說法中正確的是(　　)
A.只要選擇適宜的條件,SO2和O2就能全部轉化為SO3
B.該反應達到平衡后,反應就完全停止了,即正、逆反應速率均為零
C.在達到平衡的體系中,充入由18O原子組成的O2后,SO2中18O含量減少,SO3中18O含量增多
D.在工業合成SO3時,要同時考慮反應速率和反應能達到的限度兩方面的問題
D
解析:該反應為可逆反應,SO2和O2不能全部轉化為SO3,A錯;達到平衡后反應不停止,正、逆反應速率相等,B錯;達到平衡后充入由18O原子組成的O2,平衡正向移動,SO3中18O含量增多,因為反應可逆,SO2中18O含量也增多,C錯。
5.CO可用于合成甲醇，化學方程式為CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。CO在不同溫度下的平衡轉化率與壓強的關系如圖所示。該反應ΔH (填“>”或“<”)0。實際生產條件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，選擇此壓強的理由是___________________________________________________________________________________________________________。
<
在250 ℃、1.3×104 kPa下，CO的轉化率已較高，再增大壓強，CO的轉化率提高不大，而生產成本增加，經濟效益低
解析：從圖像來看，隨著溫度的升高，CO的轉化率變小，故ΔH<0，綜合溫度、壓強對CO轉化率的影響來看，在壓強1.3×104 kPa下，CO的轉化率已經很大，再增大壓強，CO的轉化率提高不大，但對設備和材料的要求更高，需要的動力更大，會增加投資和能量消耗，不經濟。

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