資源簡介

(共27張PPT)
化學反應的調控
第二章 化學反應速率與化學平衡
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。
我們對化學反應的調控并不陌生。
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；
為了延長食物儲存時間，可以將它們保存在冰箱中。
每年的10月16日為“世界糧食日”
糧食要如何實現增產呢？
改良品種
合成氨
氨是重要的無機化工產品之一，在國民經濟中占有重要地位，其中約有80%氨用來生產化學肥料，主要用于制造氮肥和復合肥料，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復合肥；20%為其它化工產品的原料，如硝酸、各種含氮的無機鹽及有機中間體、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需要氨作為原料。
工業合成氨是人類科學技術的一項重大突破。
本節課將以合成氨反應為例，討論化學反應條件的選擇與優化。
合成氨
德國化學家哈伯向合成氨發起沖擊。1908年7月，他在實驗室用氮氣和氫氣在600 ℃、20 MPa下得到了氨，但是產率只有2%。
思考與討論
如何選擇合適的合成氨的生產條件？可以從哪些角度分析？
工業生產需要考慮的問題
速率
產率
經濟
成本
設備
條件
安全條件
從化學反應速率和化學平衡兩個角度，分析合適的調控方法。
反應很慢（破壞氮氮三鍵需要很高的能量），但升高溫度會導致反應 ΔG>0 使得氨氣又分解。在1000°C時，合成氨只占到混合氣體的0.01，根本沒有意義。
提高反應速率 提高轉化率
反應條件：濃度、溫度、壓強、催化劑
思考與討論
根據合成氨反應的特點，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？
對合成氨反應的影響 影響因素
濃度 溫度 壓強 催化劑
增大合成氨的反應速率
提高平衡混合物中氨的含量
增大
增大反應物濃度移走氨
升溫
降溫
增大
增大
正催化劑
不影響
增大合成氨的反應速率與提高平衡混合物中氨的含量所應采取的措施是否一致
①升高溫度，氨的含量降低。這與反應速率是矛盾的；
②增大壓強，氨的含量增大。這與反應速率是一致的。
【數據分析】
壓強越大，NH3%越大
溫度越低，NH3%越大
若追求產率，怎么選條件？
若追求速率，怎么選條件？
壓強
問：合成氨工業中一般采用的壓強為10-30 Mpa，為什么不采用＞30 Mpa的壓強？
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。
圖2-11 400℃下平衡時的體積分數
隨壓強的變化示意圖
壓強增大，氨的含量增大，合成氨的反應速率加快。
選擇生產條件的原則：既要注意理論上的需要，又要注意實際操作上的可能性。
【平衡、速率角度一致】
溫度
問：合成氨工業中一般采用的溫度為400-500℃，為什么不采用＜400℃的溫度？
溫度太低，反應速率太小，達到平衡所需的時間變長，不經濟。
圖2-12 10MPa下平衡時氨的體積分數
隨溫度的變化示意圖
升高溫度，合成氨的反應速率加快，但氨的含量減小。
選擇生產條件的原則：綜合考慮影響化學反應速率和化學平衡的因素，尋找合適且符合實際需求的生產條件。
催化劑
問：在高溫高壓下N2和H2的反應仍然十分緩慢，請提出合適的方法解決上述問題。
催化劑：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。
弗里茨·哈伯：鋨或用鈾—碳化鈾作催化劑
鋨：效果好，但儲量極少且鋨蒸汽有劇毒。鈾：價格昂貴 ，性質過于敏感
卡爾 ·博施：尋找廉價、安全、穩定的催化劑。
6500次試驗，2500種不同配方，最終選用活化溫度700K左右的含鉛鎂促進劑的鐵觸媒。
圖2：催化劑不同溫度下的催化能力
催化劑鐵觸媒在500 ℃左右時的活性最大
混有的雜質使催化劑“中毒”，原料氣必須經過凈化
催化劑
擴散 → 吸附 → 表面反應 → 脫附 → 擴散
理解催化劑作用下的反應歷程
吸附
表面反應
脫附
催化劑
多個峰的含義？
1.加入催化劑之后，活化能大大降低;
2.加入催化劑之后，產生了幾個小峰，說明發生了幾個反應。
理解催化劑作用下的反應歷程
計算機模擬的鐵觸媒參與下合成氨反應能量-反應歷程圖
決速步驟
合成氨
圖：NH3的平衡體積分數隨投料比變化的曲線
①從化學平衡的角度分析，在氮氣和氫氣的物質的量比為1：3時，平衡轉化率最大，但是實驗測得適當提高N2的濃度，即N2和H2的物質的量比為1：2.8時，更能促進氨的合成。
②及時分離生成的NH3，為N2和H2騰出更多可供吸附的催化劑表面空間
問：在溫度與壓強的最佳條件下，平衡混合物中氨的含量仍不高
【原理分析】
【實際選用】
a、迅速冷卻氨氣成液態并及時分離
b 、將氨分離后的原料氣循環使用，并及時補充氮氣和氫氣，使反應物保持一定的濃度。
n(N2) : n (H2) ≈ 1: 2.8
問：如何協調溫度和催化劑對合成氨反應速率調控的一致性？
防止催化劑“中毒”，原料氣必須經過凈化
催化劑活性
最大
選擇生產條件的原則：既要注意溫度、催化劑對速率影響的一致性，
又要注意催化劑活性對溫度的限制。
知識拓展
合成氨與三次諾貝爾化學獎
哈伯
（1918年）
合成氨的基礎開發工
博施
（1931年）
實現了合成氨的工業化
埃特爾
（2007年）
揭開了合成氨的“天機”
“合成氨”里的中國人：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
合成氨
合成氨常用的生產條件：
壓強：10 - 30 Mpa
溫度：400 - 500℃
使用催化劑
將氨及時分離出來
原料氣循環使用
合成氨工業是關系我國國民經濟的重要行業，是我國化肥工業的基礎，也是傳統煤化工的重要組成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡膠等；氨在冶金、機械加工、電子、造紙等行業用途廣泛。
工業生產中調控化學反應的一般思路和方法
化學反應
原理分析
反應速率
反應限度
實踐層面
設備、成本、耗能
循環工藝
思想理念
“綠色化學”
可持續發展
可行性
找條件
影響因素
調控反應
最佳效果
大大提高轉化率
工業生產中適宜條件選擇的一般原則
條件 原則
從化學反應速率分析
從化學反應限度分析
從原料的利用率分析
從實際生產能力分析
從催化劑的使用活性分析
既不能過快，又不能太慢
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
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
如設備承受高溫、高壓能力等
注意溫度對催化劑的活性的限制
1.1913年德國化學家哈伯發明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大滿足了當時日益增長的人口對糧食的需求。下列所示是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉化率而采取的措施是（ ）
A.①②③ B.②④⑤ C.①③⑤ D.②③④
B　
2.據報道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氫氣合成乙醇已成為現實：2CO2(g)＋6H2(g) CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列敘述錯誤的是（ ）
A.使用Cu -Zn -Fe催化劑可大大提高生產效率
B.反應需在300 ℃下進行可推測該反應是吸熱反應
C.充入大量CO2氣體可提高H2的轉化率
D.從平衡混合氣體中分離出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
B　

3.某溫度下，對于反應: N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 N2的平衡轉化率(α)與體系總壓強(p)的關系如圖所示。下列說法正確的是（ ）
A.將1 mol氮氣、3 mol氫氣置于1 L密閉容器中發生反應，放出的熱量為92.4 kJ
B.平衡狀態由A變為B時，平衡常數K(A)C.上述反應在達到平衡后，增大壓強，H2的
轉化率增大
D.升高溫度，平衡常數K增大
C　
(1)應選擇的溫度是________，理由是 。
溫度 不同壓強下SO2的轉化率(%)
1×105Pa 5×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa
450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
450 ℃
該反應是放熱反應，升高溫度，轉化率降低；在450 ℃反應物轉化率較高
4.已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH < 0的實驗數據如下表:
溫度 不同壓強下SO2的轉化率(%)
1×105Pa 5×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa
450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(2)應采用的壓強是________，理由是：
(3)在合成SO3的過程中，不需要分離出SO3的原因是：
(4)生產中通入過量空氣的目的是_____________________________。
1×105Pa
常壓下SO2的轉化率已經很高，若采用較大的壓強，SO2的轉化率提高很少，但需要動力更大，對設備的要求更高
SO2的轉化率比較高，達到平衡后的混合氣體中SO2的余量很少
增大O2濃度、提高SO2的轉化率

展開更多......

收起↑