資源簡介

(共28張PPT)
第二章化學反應速率和化學平衡 第二節化學平衡
2.4化學反應的調控
學習目標
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 究領域中的重要作用。
2. 知道催化劑可以改變反應歷程，對調控反應速率具有重要意義。 3.能運用溫度、濃度、壓強和催化劑對化學反應速率的影響規律解 釋生產、生活、實驗室中的實際問題，能討論化學反應條件的選擇 和優化。
經濟效益、社會效益 (綜合經濟效應)
1、假如你是一個化工廠的老板對工業生產你主要應考慮哪些問題
思考
提高單位時間里產品的產量
(從化學反應的速率考慮)
提高平衡混合物中產品的含量
(從化學平衡的移動考慮)
從生產成本、動力、材料、設備等對上述理 論探討進一步論證，以得出合理的結論。
提高綜合經濟效益
理 論 實際
1、影響化學反應速率的因素有哪些
反應物表面積、反應物濃度、溫度、能引起氣體 反應物濃度改變的壓強、催化劑
2、影響化學平衡移動的因素有哪些
濃度、壓強、溫度
勒夏特列原理：如果改變影響平衡的一個條件(如 濃度、壓強或溫度等),平衡就向能夠減弱這種改 變的方向移動。
憶一憶
合成氨反應：N (g)+3H (g)=2NH (g)
△S=-198.2 Jomol-1●K-1
(1)可逆性：反應為可逆反應。
(2)體積變化：正反應是氣體體積縮小的反應。
(3)焓變：△H<0, 熵變：△S<0。
(4)自發性：常溫(298 K) 下，△G=△H-T△S <0, 能自發進行
一、合成氨反應的原理分析
已知298 K時：△H=-92.4 kJ mol-1
1、合成氨反應的特點
2、結合前面所學內容，請思考工業合成氨時主要考慮的 因素
多 即提高平衡混合物里氨的含量
——化學平衡問題
快 即提高單位時間里氨的產量
——化學反應速率問題
便宜 降低成本，提高原料利用率。
綠色 保護環境，對設備的要求。
思考
(1)盡量增大反應物的轉化率，充分利用原料；
(2)選擇較快的化學反應速率，提高單位時間內的產量；
(3)考慮設備的要求和技術條件。
2、合成氨反應條件的選擇原則
條件 提高反應 速率 提高平衡轉化率
綜合結果
壓強
溫度
催化劑
濃度
原理分析：根據合成氨反應的特點，利 用我們學過的影響反應速 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
3、提高合成氨反應速率和平衡轉化率的條件比較
工業合成氨的條件
需要高溫，高壓，高反應物濃度，催化劑等
0.6
0.5-
0.42
0.3
0.2
0.1-
1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6
二、工業合成氨的適宜條件
1、從濃度、壓強、溫度、催化劑等方面考慮合成氨的適宜條件 NH3%
增大N 、H 的濃度，
其物質的量之比為
1:3時，NH 的含量 最高
N2:H
N H 含 量 / % 溫度/℃ 壓強 /MPa 0.1 10 20 30 60
100
200 81.5 86.4 89.9 95.4
98.8
300 2.高 52.0 64.2 71.0 84.2
92.6
壓強增 25.1 大，氨 38.2 的含量 47.0 增大 400 0.氫 65.2
79.8
500 i 10.6 19.1 26.4 42.2
57.5
600 0 4.5 9.1 13.8 23.1
31.4
達到平衡時平衡混合物中NH 的含量體積分數) [起始V(N ):V(H )=1:3]
(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10～30 MPa 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
(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④升高溫度能提高化學反應速率 ,但工業合成氨溫度不能太高的理由是：合成氨反應為放熱反應， 升高溫度，轉化率降低；400～500_℃催化劑活性最大，升高溫度
,催化劑活性減弱(催化劑失活)
(3)催化劑①原理分析：在高溫、高壓下，N, 和H, 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另外，為了防止混有的雜質使催化 劑“中毒”,原料氣必須經過凈化
(4)濃度①原理分析：在500℃和30 MPa 時 ，平衡混合物中NH 的
體積分數及平衡時N 和H 的轉化率仍較低②采取的措施：采取迅速 冷卻的方法，使氣態氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出去；應 將NH 分離后的原料氣循環使用 ，并及時補充N 和H , 使反應物保 持一定的濃度(及時移走產物，補充原料)③采取該措施的理由：分 離出NH 以促使平衡向生成NH 的方向移動，此外原料氣的循環使用 并及時補充原料氣，既提高了原料的利用率，又提高了反應速率，有 利于合成氨反應
外部條件
工業合成氨的適宜條件
壓強
根據反應器可使用的鋼材質量及綜合指標來選擇壓強
(10～30 MPa)
溫度
適宜溫度，400～500℃
催化劑
使用鐵觸媒做催化劑
濃度
N 和H 的物質的量之比為1:2.8的投料比，氨及時從混
合氣中分離出去，剩余氣體循環使用；及時補充N 和H
2、工業合成氨的適宜條件
熱交換
N +H WWWWw-
10~30 MPa
N +H YNH +N
+H
冷卻
液態NH NH +N +H
3、合成氨的工藝流程
干燥 N +H 凈化
鐵觸媒
400~500℃
壓縮機
加壓
N +H
N +H
壓縮機
水冷器
氫氮混合氣
合成氨流程簡圖
氨分離器
循環壓縮機
合 成 塔
循環氣體
流程分析
1、原料氣干燥、凈化：除去原料氣中的水蒸氣及其他氣體雜質， 防止與催化劑接觸時，導致催化劑“中毒”而降低或喪失催化活性 2、壓縮機加壓：增大壓強
3、熱交換：合成氨反應為放熱反應，反應體系溫度逐漸升高，為 原料氣反應提供熱量，故熱交換可充分利用能源，提高經濟效益。 4、冷卻：生成物NH 的液化需較低溫度采取迅速冷卻的方法，可 使氣態氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出來，以促使平衡向 生成NH 的方向移動。
5、循環使用原料氣：因合成氨反應為可逆反應，平衡混合物中含 有原料氣，將NH 分離后的原料氣循環利用，并及時補充N 和H 使反應物保持一定的濃度，以利于合成氨反應，提高經濟效益。
練一練
1、利用原料氣在合成塔中合成NH , 為提高N 的轉化率所采取的措施 是( B )
A. 高溫 B.高壓
C.使用催化劑 D.增大N 的濃度
2、有關合成氨工業的說法中，正確的是( B )
A.增大H 的濃度，可提高H 的轉化率
B.由于氨易液化，N 、H 在實際生產中會循環使用，所以總體來說氨的 產率很高
C.合成氨工業的反應溫度控制在400~500℃,目的是使化學平衡向正 反應方向移動
D.合成氨廠采用的壓強是10 MPa~30 MPa,因為該壓強下鐵觸媒的
活性最大
練一練
3、合成氨工業有下列流程：①原料氣制備；②氨的合成；③原 料氣凈化和壓縮；④氨的分離。其先后順序為( B )
A.①②③④ B.①③②④ C.④③②① D.②③④① 4、NH 是一種重要的工業原料。下列關于合成氨的說法中，不 正確的是(D )
A. 工藝涉及催化技術
B. 工藝涉及高溫高壓技術
C.原料之一的氮氣來自空氣
D.從合成塔出來的氣體中，氨的體積分數為100%
(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、催化劑等反 應條件
(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
三、工業合成適宜條件的選擇
1、選擇工業合成適宜條件的原則
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，又要注意三者影響的矛盾性 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
2、選擇工業合成適宜條件的分析角度
(1)分析反應特點。主要分析反應的方向性、可逆性、反應熱和熵變等
(2)原理分析。根據反應特點，利用影響反應速率的因素和勒夏特列原 理分析增大反應速率、提高原料轉化率的反應條件
(3)根據實驗數據進一步分析反應條件，確定適宜條件的范圍及催化劑 的篩選
(4)根據工業生產的實際情況、經濟效益及環保要求等最終確定適宜的 條件
3、選擇適宜工業生產條件的流程
外界 條件 有利于加快速 率的條件控制 有利于平衡正向移動的 條件控制
綜合分析結果
實際可操作方法
濃度 增大反應物的 濃度 增大反應物的濃度、同 時減小生成物的濃度
不斷地補充反應物、及時地分離出 生成物
催化 劑 加合適的催化 劑 不需要
加合適的催化劑
溫度 高溫 △H<0 低溫
兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適 宜溫度
△H>0 高溫
在設備條件允許的前提下，盡量采 取高溫并考慮催化劑的活性
壓強 高壓(有氣體 參加) △Vg<0 高壓
在設備條件允許的前提下，盡量采
取高壓
△Vg>0 低壓
兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強
4、選擇工業合成適宜條件的參考依據
1、定義：就是通過改變反應條件使一個可能發生的反應按照某 一方向進行。
2、考慮因素：在實際生產中常常需要結合設備條件、安全操作、 經濟成本等情況，綜合考慮影響化學反應速率和化學平衡的因素 ,尋找適宜的生產條件。此外，還要根據環境保護及社會效益等 方面的規定和要求做出分析，權衡利弊，才能實施生產。
3、控制反應條件的目的
(1)促進有利的化學反應：通過控制反應條件，可以加快化學反應 速率，提高反應物的轉化率，從而促進有利的化學反應進行。
(2)抑制有害的化學反應：通過控制反應條件，也可以減緩化學反 應速率，減少甚至消除有害物質的產生或控制副反應的發生，從而 抑制有害的化學反應繼續進行。
四、化學反應的調控
(1)控制化學反應速率的措施：通過改變反應體系的溫度、溶 液的濃度、氣體的壓強(或濃度)、固體的表面積以及使用催化 劑等途徑調控反應速率。
(2)提高轉化率的措施：通過改變可逆反應體系的溫度、溶液 的濃度、氣體的壓強(或濃度)等改變可逆反應的限度，從而提 高轉化率。
4、控制反應條件的基本措施
【練一練】
5、判斷正誤(正確的打“ √”,錯誤的打“×”)
(1)溫度越高越利于合成氨反應平衡正向移動。(× )
(2)合成氨反應中，壓強越大越利于增大反應速率和平衡正向移動。(√ )
(3)使用催化劑能提高合成氨反應物的平衡轉化率。( × )
(4)充入的N 越多越有利于NH 的合成。( × )
(5)恒容條件下充入稀有氣體有利于NH 的合成。 ( × )
(6)工業合成氨的反應是熵增加的放熱反應，在任何溫度下都可自發進行。
【練一練】
6、某工業生產中發生反應：2A(g)+B(g)=2M(g)△H<0 。下列有關 該工業生產的說法正確的是( D )
A. 工業上合成M 時，一定采用高壓條件，因為高壓有利于M 的生成
B.若物質B價廉易得，工業上一般采用加入過量的B以提高A和B的轉化率 C.工業上一般采用較高溫度合成M, 因溫度越高，反應物的轉化率越高
D.工業生產中常采用催化劑，因為生產中使用催化劑可提高M 的日產量

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