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(共19張PPT)
第二
章 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡
第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
一、從合成氨說(shuō)起
18世紀(jì)末，英國(guó)化學(xué)家克魯克斯“先天下之憂而憂”，率先發(fā)出為了使子孫后代免于饑餓“向空氣要氮肥”的號(hào)召。
我們對(duì)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控并不陌生。
例如，為了滅火，可以采取隔離可燃物、隔絕空氣或降低溫度等措施；
為了延長(zhǎng)食物儲(chǔ)存時(shí)間，可以將它們保存在冰箱中。
1.為什么要合成氨？
化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
從化學(xué)平衡的視角分析，合成氨應(yīng)該可行！
氧化法：
還原法：
常溫 K＝3.8×10－31
N2(g) + O2(g) 2NO(g)
常溫 K＝5.0×108
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
（1）從化學(xué)平衡的視角
從哪些角度選擇固氮反應(yīng)
（2）從化學(xué)反應(yīng)的方向性視角
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
已知298 K時(shí)：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
自發(fā)性：常溫（298 K）下，ΔH－TΔS<0，能自發(fā)進(jìn)行
從哪些角度選擇固氮反應(yīng)
2.合成氨很難嗎？
合成氨不容易，難在哪兒？如果是你，你會(huì)怎樣分析？
18世紀(jì)末，有人試圖在常溫常壓下合成氨，也有人在常溫加壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。——都失敗了
化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
德國(guó)化學(xué)家哈伯向合成氨發(fā)起沖擊。1908年7月，他在實(shí)驗(yàn)室用氮?dú)夂蜌錃庠?00 ℃、20 MPa下得到了氨，但是產(chǎn)率只有2%。
哈伯合成氨所用裝置
冷卻室
反應(yīng)器
出水口
干燥室
液態(tài)NH3
出口
進(jìn)水口
未反應(yīng)氣體通過(guò)循環(huán)泵返回
壓縮N2和H2進(jìn)口
化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
理論分析——合成氨反應(yīng)有什么樣的特點(diǎn)？如何通過(guò)選擇反應(yīng)條件提高平衡混合物中氨的含量？
對(duì)合成氨反應(yīng)的影響 影響因素
濃度 溫度 壓強(qiáng)
提高平衡混合物中氨的含量
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H ＝－92.4 kJ/mol
1.從化學(xué)平衡分析
n(N2):n(H2)
≈1:3
及時(shí)移走產(chǎn)生的氨
降低
增大
尋找工業(yè)合成氨的適宜條件
①溫度
理論分析：
低溫可以提高平衡混合物中氨的含量。
n(N2):n(H2) ≈ 1:3 10 MPa
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
與理論預(yù)期一致
通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論
采用控制變量的方法
尋找工業(yè)合成氨的適宜條件
n(N2):n(H2) ≈ 1:3 400 ℃
②壓強(qiáng)
理論分析：
壓強(qiáng)越大越有利于提高平衡混合物中氨的含量
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
與理論預(yù)期一致
尋找工業(yè)合成氨的適宜條件
原料氣 n(N2):n(H2)≈1:3、及時(shí)移走產(chǎn)生的氨、低溫和高壓
從化學(xué)平衡看，合成氨的適宜條件
為什么沒(méi)有在常溫合成氨？合成氨難在哪兒？還有什么因素制約氨的合成？
常溫下合成氨化學(xué)反應(yīng)速率很??！
尋找工業(yè)合成氨的適宜條件
合成氨反應(yīng)為什么慢？
2. 從化學(xué)反應(yīng)速率分析
——活化能高
如何增大合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率？
對(duì)合成氨 反應(yīng)的影響 影響因素
濃度 溫度 壓強(qiáng) 催化劑
增大合成氨 的反應(yīng)速率
增大
升高
增大
使用
怎樣降低反應(yīng)的活化能？
——改變反應(yīng)歷程
尋找工業(yè)合成氨的適宜條件
對(duì)合成氨 反應(yīng)的影響 影響因素
濃度 溫度 壓強(qiáng) 催化劑
增大合成氨的反應(yīng)速率 增大 升高 增大 使用
提高平衡混合物中氨的含量 n(N2):n(H2) ≈1:3 及時(shí)移走產(chǎn)生的氨 降低 增大 無(wú)影響
尋找工業(yè)合成氨的適宜條件
3. 綜合分析
實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)：綜合考慮成本要低！
①壓強(qiáng)
從化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡考慮，都是壓強(qiáng)越大越好。
綜合成本與設(shè)備耐壓：
10 MPa~30 MPa
②催化劑
增大化學(xué)反應(yīng)速率，不改變平衡混合物的組成。
現(xiàn)在常用鐵，其活性最好的溫度為500 ℃左右。
③溫度
低溫可以提高平衡混合物中氨的含量，但低溫會(huì)減小化學(xué)反應(yīng)速率。
綜合考慮，特別是考慮催化劑的活性，一般400~500 ℃
尋找工業(yè)合成氨的適宜條件
化學(xué)平衡
反應(yīng)速率
影響因素
調(diào)控反應(yīng)
最佳效果
2.分析調(diào)控方法
反應(yīng)
1.選取恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)
3.探索最佳工藝
哈伯： 鋨（劇毒）作催化劑 、17.5 MPa~20.0 MPa、500~600 ℃ 、氨含量6%
博施： 鐵作催化劑 、開(kāi)發(fā)了適合高溫、高壓下的合成設(shè)備、設(shè)計(jì)了獲得大量廉價(jià)原料氣的方法
化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路
原料用量n(N2):n(H2)：
理論值為1:3
實(shí)際為1:2.8
埃特爾：在合成氨反應(yīng)初期，氮、氫分子被吸附在鐵催化劑表面。進(jìn)而確定吸附的氮原子和氫原子是反應(yīng)活性物，整個(gè)反應(yīng)就是氮原子逐步加氫最終生成氨分子的過(guò)程，并給出了每步反應(yīng)的活化能。
哈伯
（1918年）
合成氨的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)工作
4.不斷技術(shù)創(chuàng)新
合成氨與三次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)
博施
（1931年）
實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化
埃特爾（2007年）
揭開(kāi)了合成氨的“天機(jī)”
“合成氨”里的中國(guó)人：2016年中科院大連化學(xué)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)研制合成了一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強(qiáng)分別降到了350 ℃、1 MPa 。
更加節(jié)能、降低成本
化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路
1．在合成氨時(shí)，要使氨的產(chǎn)率增大，又要使化學(xué)反應(yīng)速率增大，可以采取的措施有（ ）
①增大體積使壓強(qiáng)減小 ②減小體積使壓強(qiáng)增大
③升高溫度 ④降低溫度
⑤恒溫恒容，再充入N2和H2 ⑥恒溫恒壓，再充入N2和H2
⑦及時(shí)分離產(chǎn)生的NH3 ⑧使用催化劑
A．②④⑤⑦
B．②③④⑤⑦⑧
C．②⑤
D．②③⑤⑧
C
達(dá)標(biāo)檢測(cè)
2．下列事實(shí)能用勒夏特列原理解釋的是（ ）
A．使用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨
B．由H2(g)、I2(g)和HI(g)組成的平衡體系加壓后顏色變深
C．500 ℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)
D．將混合氣體中的氨液化有利于合成氨反應(yīng)
D
達(dá)標(biāo)檢測(cè)
3．對(duì)于合成氨反應(yīng)，達(dá)到平衡后，以下分析正確的是（ ）
A．升高溫度，對(duì)正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大
B．增大壓強(qiáng)，對(duì)正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大
C．減小反應(yīng)物濃度，對(duì)逆反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大
D．加入催化劑，對(duì)逆反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大
B
達(dá)標(biāo)檢測(cè)

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