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(共23張PPT)
第二章 化學反應速率與化學平衡
第四節 化學反應的調控
教學目標
1、教學目標
1) 通過工業合成氨適宜條件的選擇與優化，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) 在合成氨適宜條件的討論中，形成多角度分析化學反應和化工生產條件的思路，體會化學反應原理的應用價值。
2、教學重點和難點
1) 重點：合成氨反應中化學反應速率和化學平衡的綜合調控。
2) 難點：形成多角度調控化學反應的思路。
合成氨的提出
20世紀初，世界人口激增，有機肥料已經無法滿足土壤對氮肥的需求。氮肥的化工生產提上了日程。
氮短缺事關人類的存亡，某一天將會有一位化學家尋找出一種方法，將成對的氮原子間三鍵打破，制出一種能為植物吸收的氮的化合物。
——威廉 克魯克斯
先合成氨，再進一步將之轉化為銨鹽或者硝酸鹽，變成了土壤可吸收的形式。最好的原料是空氣，因為它其中富含氮元素。
——卡爾·博施
合成氨很難
化學反應的調控
調控外界條件
溫度、濃度
壓強、催化劑
化學反應速率
化學平衡
哈伯法合成氨
1903年哈伯發現在常溫的條件下，氮、氫難以生成氨，在高溫的條件下，氨太易于分解。在1000攝氏度時，合成氨只占到混合氣體的0.01，根本沒有意義。
問題一：升高溫度對反應有什么影響？
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
溫度
溫度 25℃ 350℃ 400℃ 450℃ 600℃ 700℃
平衡常數 5×108 1.847 0.507 0.152 0.009 2.6×10 3
合成氨反應的平衡常數隨溫度的變化
反應速率加快
平衡逆向移動
升高
溫度
化學反應速率
化學平衡
理論分析：
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
溫度
實際預測：
溫度的選擇：快與少、慢與多的權衡
·
200 300 400 500 600
80
60
40
20
溫度/℃
NH3的體積分數/%
10
30
50
70
90
·
·
·
·
壓強：10MPa
結論：溫度不宜過高也不宜過低
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
哈伯法合成氨
1908年哈伯成功地設計出一套精密的高壓裝置。羅塞格爾和他實驗室的機械師們一起創造了新的閥門，將哈伯的設計變成了現實。
問題二：增大壓強對反應有什么影響？
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
壓強
反應速率加快
平衡正向移動
增大壓強
化學反應速率
化學平衡
理論分析：
0 20 40 60 80 100
80
60
40
20
·
·
·
·
壓強/MPa
NH3的體積分數/%
400℃
實際預測：
壓強的選擇：成本與效益的博弈
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，這會加大生產投資，可能降低綜合經濟效益。
結論：壓強不宜過高也不宜過低
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
催化劑
合成氨仍然存在的問題？
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
顯著改變反應速率
平衡不移動
使用
催化劑
化學反應速率
化學平衡
使用催化劑
加含鉛鎂的鐵做催化劑
尋找合適的催化劑
效果不夠理想
鐵
鋨
鈾
含鉛鎂的鐵
效果好，但儲量極少
鈾價格昂貴 ，性質過于敏感
效果好，原料易得，性質穩定
科學家堅持不懈精神
2016年中科院大連化學物理研究所研究團隊研制合成了一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強分別降到了350℃、1 MPa，更加節能、降低成本。
催化歷程
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
2007 年 Ertl 證實了 N2與 H2在催化劑表面合成氨的反應歷程如圖所示
催化歷程 (一般包括步驟)：擴散→吸附→表面反應→脫附→擴散
小結：溫度、壓強不宜過高也不宜過低；加入含鉛鎂的鐵做催化劑
數據分析
溫度
·
200 300 400 500 600
80
60
40
20
溫度/℃
NH3的體積分數/%
10
30
50
70
90
·
·
·
·
10MPa
催化劑
反應
速率
已知合成氨的催化劑在500℃ 左右時活性最大
400℃~500℃
溫度
轉化率
降低溫度
數據分析
0 20 40 60 80 100
80
60
40
20
·
·
·
·
壓強/MPa
NH3的體積分數/%
400℃
壓強
增大
轉化率越高
對材料的強度和設備的制造高，增加生產投資，并可能降低經濟效益
壓強為10 ~ 30MPa
數據分析
溫度/℃ 氨的含量/% (體積分數)
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 9.10 13.8 23.1 31.4
不同條件下，合成氨反應達到化學平衡時反應混合物中氨的含量
濃度
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
平衡正向移動
化學平衡
增大反應物濃度
降低生成物濃度
想一想：還有什么辦法可以提高氨的產率？
濃度
增大反應物濃度
降低生成物濃度
原料氣循環利用
及時補充N2和H2
將氨氣及時從混合物中分離
原料氣循環通過合成塔
合成氨常用的生產條件
熱交換
N2＋H2
N2＋H2
干燥
凈化
N2＋H2
壓縮機
壓縮
10MPa~30MPa
N2＋H2
鐵觸媒
400℃ ~ 500℃
冷缺
液態NH3
NH3＋N2＋H2
NH3＋
N2＋H2
N2
＋
H2
1) 催化劑：鐵觸媒催化劑
2) 溫度：400℃ ~ 500℃
3) 壓強：10MPa ~ 30MPa
3) 原料氣循環利用及時分離出氨氣
化工生產中調控反應的一般思路
選擇合成氨反應的條件不能一味追究轉化率，也不能只追求速率，而是要尋找既有高反應速率，又有高平衡轉化率的反應條件。我們在理論分析的基礎上，進一步考慮實踐層面，如設備、成本、耗能、環保、操作等方面，權衡利弊，多角度探索合成氨的最佳條件。
化學反應
原理分析
實踐層面
理想理念
反應速率
化學平衡
成本核算
設備可行
可持續發展
“綠色化學”
解決實際問題
(1) 從理論分析，為了使二氧化硫盡可能多地轉化為三氧化硫，應選擇的條件是 。
(2) 在實際生產中，選定的溫度為400～500℃，原因是 。
(3) 在實際生產中，采用的壓強為常壓，原因是 。
練、在硫酸工業中，通過下列反應使SO2氧化為SO3：
2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH＝ 196.6 kJ·mol 1。(已知：催化劑
V2O5，在400～500℃時催化劑效果最好)下表列出了在不同溫度和壓強下，反應達到平衡時SO2的轉化率。
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/%
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
V2O5
Δ
解決實際問題
(4) 在實際生產中，通入過量的空氣，原因是 。
(5) 工業上采用V2O5做催化劑，有人提出如下反應歷程：
反應Ⅰ： 2SO2 + V2 O5＝SO3 + V2 O4 （較慢）
反應Ⅱ： 2SO2 + V2 O5＝SO3 + V2 O4 （較快）
由此推知，活化能較大的是反應________填“”或“”。
(6) 尾氣中的SO2必須回收，原因是_______________ 。
隨堂練習
隨堂練習
N2和H2的比例 (恒溫恒壓)
初始投料n(H2) : n(N2)＝x時，平衡時NH3的百分含量如下圖
0.5
0.4
0.0
0.1
0.2
0.3
0 2 4 6 8 10 12 14
n(H2)
n(N2)
φ(NH3)
當x＝3:1時，平衡時NH3的百分含量最大
N2和H2的實際投料比為1:2.8
謝謝

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