資源簡介

(共26張PPT)
第二單元 化學反應速率與化學平衡
第四節 化學反應的調控
學習目標
1.通過工業合成氨適宜條件的選擇和優化，了解如何應用化學反應速率和化學平衡原理分析合成氨的適宜條件。
2.了解應用化學反應原理分析化工生產條件的思路和方法，體驗實際生產條件的選擇與理論分析的差異，體會化學反應原理的應用價值。
新課導入
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。
這些是生活中對化學反應的調控，實際對化學反應的調控在工業上的應用更為廣泛，我們以工業合成氨生產條件的為例，來進行研究。
任務一
合成氨反應條件與原理分析
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) △H＝－92.2kJ mol-1 S＝－198.2J K-1 mol-1
請根據在298K時合成氨反應的焓變和熵變分析：
△ G=△H－T△S = －33.14 kJ·mol－1＜0，可以正向自發進行。
常溫下合成氨不容易進行，難在哪兒？如果是你，你會怎樣分析？
【思考與討論】
1.在298K時合成氨反應能否正向自發進行？
2.常溫下合成氨很容易進行嗎？
18世紀末，有人試圖在常溫常壓下合成氨，也有人在常溫加壓下進行實驗?！际×?br/>1.反應原理和特點
任務一
合成氨反應條件與原理分析
合成氨反應：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。
已知298 K時：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－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：ΔH<0，熵變：ΔS<0。
(4)自發性：常溫(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自發進行。
2.原理分析
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
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＜0
任務一
合成氨反應條件與原理分析
增大反應物濃度
增大反應物濃度或減小生成物濃度
升高溫度
降低溫度
增大壓強
增大壓強
使用催化劑
無影響
任務一
合成氨反應條件與原理分析
3.數據分析
下表的實驗數據是在不同溫度、壓強下，平衡混合物中氨的含量的變化情況(初始時氮氣和氫氣的體積比是1：3)。
溫度/℃ 氨的含量/%
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 9.1 13.8 23.1 31.4
壓強越大，NH3%越大。
溫度越低，NH3%越大。
實驗數據表明應采取的措施與理論一致。
4.結論分析
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＜0
任務一
合成氨反應條件與原理分析
①升高溫度，氨的含量降低，化學反應速率加快。兩者矛盾；
②增大壓強，氨的含量增大，化學反應速率加快。兩者一致。
那么實際生成中到底選擇哪些適宜的條件呢？
【原理分析】
壓強越大越好
【實際選用】
目前，我國合成氨廠一般采用的壓強為10～30MPa。
【理由】
1.壓強
任務二
工業合成氨的適宜條件
壓強越大，速率、轉化率都大，但對材料的強度和設備的制造要求越高，需要的動力越大，這將會大大增加生產投資，降低綜合經濟效益。
【原理分析】
低溫能提高平衡轉化率，但速率慢，到達平衡時間長，經濟效益差；
高溫溫能提高速率，但轉化率小，且催化劑在500 ℃時活性最大。
【實際選用】
2.溫度
目前，實際生產一般采用的溫度為400~500℃。
任務二
工業合成氨的適宜條件
任務二
工業合成氨的適宜條件
【原理分析】
加催化劑可改變反應歷程，加快反應速率
【實際選用】
目前，普遍使用以鐵為主體成分的催化劑，即鐵觸媒，500℃左右時活性最大 。
3.催化劑
為了防止混有的雜質使催化劑“中毒”，原料氣必須經過凈化。
任務二
工業合成氨的適宜條件
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，怎么辦？
溫度/℃ 氨的含量/%
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
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
任務二
工業合成氨的適宜條件
4.濃度
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不斷地補充反應物或者及時的分離生成物有利于工業生產
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。
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 N2和H2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，原料氣循環使用
任務二
工業合成氨的適宜條件
N2+H2
干燥
凈化
防止催化劑中毒
N2+H2
壓縮機加壓
10MPa～30MPa
N2+H2
熱交換
N2+H2
鐵觸媒
400～500℃
N2+H2+NH3
冷卻
液態NH3
N2+H2+NH3
N2+H2
增大壓強
促使化學平衡向生成氨氣的方向移動
原料氣循環利用，
提高原料利用率
合成氨的生產流程
、
、
【練習】
1.正誤判斷
(1)工業合成氨的反應是ΔH<0、ΔS<0的反應，在任何溫度下都可自發進行
(2)在合成氨的實際生產中，溫度越低，壓強越大越好
(3)在合成氨中，加入催化劑能提高原料的轉化率
(4)催化劑在合成氨中質量沒有改變，因此催化劑沒有參與反應
(5)增大反應物的濃度，減少生成物的濃度，可以提高氨的產率
(6)合成氨中在提高速率和原料的轉化率上對溫度的要求是一致的
×
×
×
×
√
×
2.下列有關合成氨工業的說法正確的是（ ）
A.N2的量越多，H2的轉化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B.恒容條件下充入稀有氣體有利于NH3的合成
C.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
D.工業合成氨的反應是熵減小的放熱反應，在常溫時可自發進行
D
【練習】
3.在合成氨反應中使用催化劑和施加高壓，下列敘述正確的是（ ）
A.都能提高反應速率，都對化學平衡無影響
B.都對化學平衡有影響，但都不影響達到平衡狀態所用的時間
C.都能縮短達到平衡狀態所用的時間，只有施加高壓對化學平衡有影響
D.使用催化劑能縮短反應達到平衡狀態所用的時間，而施加高壓無此效果
C
【練習】
可行性
分析
分析
調控方法
實驗摸索
設備要求、
安全操作
經濟成本
確定最佳條件
選取恰當的反應
考慮參加反應的
物質 、 和
等本身因素
原理分析：
化學平衡
反應速率
盡量增大
______，
充分利用原料
選擇較快的________
組成
結構
性質
轉化率
反應速率
任務三
化工生產中調控反應的一般思路
選擇化工生產適宜條件的分析角度
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，又要注意二者影響的矛盾性
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、高壓的能力等
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
在硫酸工業中，通過下列反應使SO2氧化成SO3：
2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化劑是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/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
深度思考
(1)從理論上分析，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________________。
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
450 ℃、10 MPa
深度思考
(2)在實際生產中，選定的溫度為400～500 ℃，原因是_____________
_________________________________________________________________________________________________。
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
在此溫度下，
催化劑活性最高。溫度較低，會使反應速率減小，達到平衡所需時間變長；溫度較高，SO2的轉化率會降低
深度思考
(3)在實際生產中，采用的壓強為常壓，原因是____________________
_____________________________________________________________________________________________________________。
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
在常壓下SO2的轉化率
就已經很高了(97.5%)，若采用高壓，平衡向右移動，但效果并不明顯，且采用高壓時會增大對設備的要求而增大生產成本
深度思考
(4)在實際生產中，通入過量的空氣，原因是______________________
______________________。
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
增大反應物O2的濃度，
有利于提高SO2的轉化率
深度思考
(5)尾氣中SO2必須回收，原因是_________________________________
______________________。
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
料的利用率(合理即可)
防止污染環境；循環利用，提高原
深度思考

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