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第二章 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡
第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
第1課時(shí) 化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
一、教學(xué)目標(biāo)
1.認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要作用。
2.以工業(yè)合成氨為例，能從反應(yīng)限度、反應(yīng)速率等角度對化學(xué)反應(yīng)和化工生產(chǎn)條件進(jìn)行綜合分析。
3.知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程，對調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率具有重要意義。
二、教學(xué)重難點(diǎn)
利用所學(xué)的化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡理論解釋合成氨中的相關(guān)問題。
三、教學(xué)過程
【課程引入】介紹合成氨的發(fā)展過程引入課程。
提出問題：自1784年氨被發(fā)現(xiàn)以來，人們一直在研究如何利用化學(xué)方法由氫氣和氮?dú)夂铣砂保侵?910年才實(shí)現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會經(jīng)歷如此漫長的發(fā)展過程？合成氨廠為什么需要那么龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件呢？
【新知講解】
一、合成氨的條件選擇
1．合成氨的反應(yīng)特點(diǎn)
【講解】工業(yè)合成氨是人類科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，其反應(yīng)如下，根據(jù)這一反應(yīng)同學(xué)們能概括出合成氨反應(yīng)的哪些特點(diǎn)呢？
【投影】
【學(xué)生活動】小組討論交流并作出回答。
【小結(jié)】反應(yīng)的特點(diǎn)
(1)可逆性：反應(yīng)為可逆反應(yīng)。
(2)體積變化：正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)。
(3)焓變：ΔH<0，熵變：ΔS<0。
(4)自發(fā)性：常溫(298 K)下，ΔH-TΔS<0，能自發(fā)進(jìn)行
【提問】根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以利于提高合成氨的反應(yīng)速率？
【投影】
【提問】根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以利于提高平衡混合物中氨的含量？
【講解】這是初始時(shí)氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比是1：3，在不同溫度、壓強(qiáng)下，平衡混合物中氨的含量的變化情況，分析表中的數(shù)據(jù)部分，結(jié)合合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，思考應(yīng)如何選擇溫度、壓強(qiáng)，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量？
【投影】
【學(xué)生活動】小組討論交流并作出回答。
【講解】結(jié)合“數(shù)據(jù)分析”，在壓強(qiáng)相等時(shí)，溫度的變化對平衡時(shí)氨的含量的影響，可以知道溫度升高，氨的含量降低；在溫度相等時(shí)，壓強(qiáng)的變化對平衡時(shí)氨的含量的影響，可以知道壓強(qiáng)增大，氨的含量增大。綜上所述，增大壓強(qiáng)、降低溫度均有利于提高平衡混合物中氨的含量。
我們對比了濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑這些反應(yīng)條件對增大合成氨的反應(yīng)速率和提高平衡混合物中氨的含量的影響，發(fā)現(xiàn)，增大反應(yīng)物濃度、增大壓強(qiáng)對速率和平衡這兩個(gè)方面的影響是一致的，但是溫度和催化劑對速率和平衡這兩個(gè)方面的影響是不一致的。
【提問】綜合考慮上述各個(gè)方面，在工業(yè)合成氨時(shí)應(yīng)選擇哪些反應(yīng)條件？
二、工業(yè)合成氨適宜條件的分析
【過渡】工業(yè)合成氨時(shí)主要考慮哪些因素呢？
【講解】工業(yè)合成氨時(shí)主要考慮的因素有快、多、便宜、綠色：快即提高單位時(shí)間內(nèi)氨的產(chǎn)量，也就是考慮化學(xué)反應(yīng)速率的問題；多即提高平衡混合物里氨的含量，也就是考慮化學(xué)平衡的問題；便宜是指降低成本，提高原料利用率；綠色是指保護(hù)環(huán)境，對設(shè)備提出要求
1、壓強(qiáng)的選擇
【講解】合成氨反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)化學(xué)計(jì)量數(shù)之和減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。
壓強(qiáng)越大,對材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求也越高,需要的動力也越大,這會加大生產(chǎn)投資,可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。所以壓強(qiáng)的選擇是成本與效益的綜合考慮的結(jié)果。
【小結(jié)】我國的合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)為10 MPa~30 MPa。
2、溫度的選擇
【講解】因?yàn)檎磻?yīng)放熱，所以降低溫度有利于平衡正向移動。溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)到平衡所需要的時(shí)間越長，因此溫度也不宜太低。催化劑的催化活性在一定溫度下才最大。所以溫度的選擇是快與少、慢與多的衡量
【小結(jié)】目前，在實(shí)際生產(chǎn)中一般采用的溫度為400~500 ℃。
3、催化劑的選擇
【講解】目前，合成氨工業(yè)中普遍使用的是以鐵為主體的多成分催化劑，又稱鐵觸媒。鐵觸媒在500℃左右時(shí)的活性最大，這也是合成氨一般選擇400~500℃進(jìn)行的重要原因。另外，為了防止混有的雜質(zhì)使催化劑“中毒”,原料氣必須經(jīng)過凈化。使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。
催化原理是改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)的活化能。
4、濃度的選擇
【講解】采取迅速冷卻的方法，使氣態(tài)氨變成液氨后及時(shí)從平衡混合物中分離出去，以促使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動。此外，如果讓N2和H2的混合氣體只一次通過合成塔發(fā)生反應(yīng)也是很不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)將NH3分離后的原料氣循環(huán)使用，并及時(shí)補(bǔ)充N2和H2,使反應(yīng)物保持一定的濃度，以利于合成氨反應(yīng)。
【提問】合成氨工業(yè)采用迅速冷卻法，使氣態(tài)氨變?yōu)橐喊焙蠹皶r(shí)從混合物中分離出去的目的是什么
【講解】這樣的目的是使化學(xué)平衡向生成氨的方向移動。
【小結(jié)】工業(yè)合成氮的適宜條件的歸納
外部條件 工業(yè)合成氨的適宜條件
壓強(qiáng) 10 MPa～30 MPa
溫度 400～500 ℃
催化劑 使用鐵觸媒做催化劑
濃度 氣態(tài)氨變成液氨后及時(shí)從平衡混合物中分離出去，且使反應(yīng)物氮?dú)夂蜌錃獗３衷谝欢ǖ臐舛?br/>三、合成氨的生產(chǎn)流程
【投影】
【講解】第一步是原料氣干燥、凈化，目的是除去原料氣中的水蒸氣及其他氣體雜質(zhì)，防止與催化劑接觸時(shí)，導(dǎo)致催化劑“中毒”而降低或喪失催化活性。
第二步是壓縮機(jī)加壓，增大壓強(qiáng)。
第三步是熱交換，因?yàn)楹铣砂狈磻?yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)體系溫度逐漸升高，為原料氣反應(yīng)提供熱量，故熱交換可充分利用能源，提高經(jīng)濟(jì)效益。
第四步是冷卻，生成物NH3的液化需較低溫度采取迅速冷卻的方法，可使氣態(tài)氨變成液氨后及時(shí)從平衡混合物中分離出來，以促使平衡向生成NH3的方向移動。
最后是循環(huán)使用原料氣：因合成氨反應(yīng)為可逆反應(yīng)，平衡混合物中含有原料氣，將NH3分離后的原料氣循環(huán)利用，并及時(shí)補(bǔ)充N2和H2,使反應(yīng)物保持一定的濃度，以利于合成氨反應(yīng)，提高經(jīng)濟(jì)效益。
四、影響化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的主要因素
【講解】影響化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的因素主要有兩個(gè)方面，首先是參加反應(yīng)的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等本身因素，其次是溫度、壓強(qiáng)、濃度、催化劑等反應(yīng)條件。
五、化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
【講解】化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控就是通過改變反應(yīng)條件使一個(gè)可能發(fā)生的反應(yīng)按照某一方向進(jìn)行。在實(shí)際生產(chǎn)中常常需要結(jié)合設(shè)備條件、安全操作、經(jīng)濟(jì)成本等情況，綜合考慮影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素，尋找適宜的生產(chǎn)條件。此外，還要根據(jù)環(huán)境保護(hù)及社會效益等方面的規(guī)定和要求做出分析，權(quán)衡利弊，才能實(shí)施生產(chǎn)。
【提問】我們?yōu)槭裁匆M(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控呢？
【講解】控制化學(xué)反應(yīng)條件的目的有兩方面，(1)促進(jìn)有利的化學(xué)反應(yīng)：通過控制反應(yīng)條件，可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，從而促進(jìn)有利的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行。
(2)抑制有害的化學(xué)反應(yīng)：通過控制反應(yīng)條件，也可以減緩化學(xué)反應(yīng)速率，減少甚至消除有害物質(zhì)的產(chǎn)生或控制副反應(yīng)的發(fā)生，從而抑制有害的化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
另外控制反應(yīng)條件的基本措施也體現(xiàn)在兩方面：
(1)控制化學(xué)反應(yīng)速率的措施：通過改變反應(yīng)體系的溫度、溶液的濃度、氣體的壓強(qiáng)(或濃度)、固體的表面積以及使用催化劑等途徑調(diào)控反應(yīng)速率。
(2)提高轉(zhuǎn)化率的措施：通過改變可逆反應(yīng)體系的溫度、溶液的濃度、氣體的壓強(qiáng)(或濃度)等改變可逆反應(yīng)的限度，從而提高轉(zhuǎn)化率。
【典型例題】
例1．合成氨時(shí)既要提高氨的產(chǎn)率，又要增大反應(yīng)速率，可采取的辦法是（ ）
①減壓 ②加壓 ③升溫 ④降溫 ⑤及時(shí)從平衡混合物中分離出NH3 ⑥充入N2或H2 ⑦加催化劑 ⑧減小N2或H2的物質(zhì)的量
A．③④⑤⑦ B．①②⑤⑥
C．②⑥ D．②③⑥⑦
解析：增大壓強(qiáng)、降低溫度、及時(shí)從平衡混合物中分離出NH3、充入N2或H2均能提高氨的產(chǎn)率；增大壓強(qiáng)、升高溫度、充入N2或H2、加催化劑均能增大反應(yīng)速率，故②⑥符合題意，即C項(xiàng)正確。
答案：C
例2．CO和NO都是汽車尾氣中的有害物質(zhì)，它們之間能緩慢發(fā)生反應(yīng)：2NO（g）＋2CO（g）N2（g）＋2CO2（g） ΔH＜0，現(xiàn)利用此反應(yīng)，擬設(shè)計(jì)一種環(huán)保裝置，用來消除汽車尾氣對大氣的污染，下列設(shè)計(jì)方案可以提高尾氣處理效果的是（ ）
①選用合適的催化劑 ②提高裝置溫度 ③降低裝置的壓強(qiáng) ④向裝置中放入堿石灰
A．①③ B．②④
C．①④ D．②③
解析：選用合適的催化劑雖不能提高反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率，但能增大反應(yīng)速率；因?yàn)樵摲磻?yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動；該反應(yīng)的正反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，因此降低壓強(qiáng)，能使平衡向逆反應(yīng)方向移動；向裝置中放入堿石灰能吸收CO2，使CO2的濃度降低，平衡向正反應(yīng)方向移動。綜上可知，C項(xiàng)符合題意。
答案：C
四、課堂小結(jié)
五、板書設(shè)計(jì)
一、合成氨的反應(yīng)原理
1、反應(yīng)原理：N2+3H2 2NH3 ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
2、反應(yīng)特點(diǎn)
(1)可逆反應(yīng)
(2)正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)
(3)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)
(4)常溫下能自發(fā)進(jìn)行
二、工業(yè)合成氨最佳條件的選擇
壓強(qiáng)：10~30 MPa；
溫度：400~500 ℃；
催化劑：鐵觸媒
三、合成氨的生產(chǎn)流程
原料氣干燥、凈化→壓縮機(jī)加壓→熱交換→冷卻→循環(huán)使用原料氣
四、影響化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的主要因素
內(nèi)因：參加反應(yīng)的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等本身因素
外因：溫度、壓強(qiáng)、濃度、催化劑等反應(yīng)條件
五、化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
通過改變反應(yīng)條件使一個(gè)可能發(fā)生的反應(yīng)按照某一方向進(jìn)行

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