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(共20張PPT)
第二章·化學反應速率 化學平衡
第四節
化學反應的調控
1898 年英國物理學家克魯克斯“先天下之憂而憂”，率先發出“向空氣要氮肥”的號召。
人工合成氮肥的物質轉化
如何從空氣中獲得肥料？
氫化物
單質
氧化物
酸
鹽
物質分類
－3
0
＋2
＋4
＋5
氮氣
NH3
－3
0
NO
NO2
HNO3
路徑一電弧法固氮
化合價
路徑二合成氨法
NH4＋
－3
N2
NO3－
＋5
酸或酸性氧化物
方案一：N2(g)＋O2(g) 2NO(g)
方案二：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
【學習任務一】選擇合適的工業反應
工業上選擇哪種方法進行固氮，你的理由是？
方案一：N2(g)+O2(g) 2NO(g)
△H=+180.5kJ/mol ; △S=+247.7J·mol-1·K-1
△H=-92.2kJ/mol; △S=-198.2J·mol-1 · K-1
常溫下( 298K )=4.1×106
方案二：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
常溫下( 298K ), K=3.8×10-31
常溫下( 298K )，△G>0，反應不能自發進行
常溫下( 298K )，△G<0，反應能自發進行
且反應進行程度大
【學習任務一】選擇合適的工業反應
考慮化學反應的方向和化學反應的限度
假如你是合成氨的工程師，你如何為工廠設計合成氨的生產條件，結合我們所學的知識可以從哪些角度分析？
（3）原料
（4）設備、安全等
（2）快
（1）多
即提高氨的含量——化學平衡問題
即提高單位時間里氨的產量
——化學反應速率問題
N2: 空氣中分離（液化，蒸發）；
H2: 煤、焦炭與水蒸氣 C+H2O(g)=CO+H2
【學習任務二】尋找工業合成氨的適宜條件
（5）綜合經濟效益
對合成氨的影響 影響因素
濃度 溫度 壓強 催化劑
增大反應速率
提高平衡混合物中氨的含量
增大
升高
增大
使用催化劑
增大反應物濃度
降低生成物的濃度
降低
增大
不影響
【學習任務二】尋找工業合成氨的適宜條件
【原理分析】根據合成氨反應特點，如何通過選擇反應條件加快反應速率和提高平衡混合物中氨的含量。
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
【結論分析】①升高溫度，氨的含量 ；這與反應速率是 的。
②增大壓強，氨的含量 ；這與反應速率是 的。
降低
相矛盾
增大
相一致
【學習任務二】尋找工業合成氨的適宜條件
【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)。
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。
實際生產條件的選擇
【學習任務二】尋找工業合成氨的適宜條件
壓強
①原理分析：
②實際分析：
③結論
：
目前，一般采用的壓強為10 MPa~30 MPa。
合成氨時壓強越大越好
但壓強大，對材料的強度
和設備的制造要求就越高，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
溫度
①原理分析：
②實際分析：
③結論：
實際生產條件的選擇
【學習任務二】尋找工業合成氨的適宜條件
根據平衡移動原理，
合成氨應采用低溫以提高平衡轉化率
但溫度降低會使反應
速率減小，達到平衡時間變長，這
在工業生產中是很不經濟的。
目前，一般采用的溫度為
400 ~500 ℃。
實際生產條件的選擇
【學習任務二】尋找工業合成氨的適宜條件
催化劑
①原理分析：
②實際分析：
催化劑不同溫度下的催化能力
使用催化劑能改變反應
歷程，降低反應活化能，使反應物在較低溫度時能較快地進行反應。目前
合成氨工業中普遍使用的是鐵觸媒。
鐵觸媒在500℃左右時活性最大，
一般選擇400 ~500 ℃
混有的雜質使催化劑“中毒”，原料氣
必須經過凈化
實際生產條件的選擇
【學習任務二】尋找工業合成氨的適宜條件
濃度
　
①原理分析：
②實際分析：
工業上采取迅速冷卻的方法，使氨氣變成液氨并及時分離減小生成物濃度，平衡向正向移動，提高氨的產率。
分離后的原料氣N2和
H2，及時補充并循環使用，使
反應物保持一定的濃度。
【資料卡片】：NH3含量的實驗測定結果
NH3的平衡體積分數隨投料比變化的曲線
n(N2):n(H2)=1 : 2.8 最優
工業合成氨的適宜條件
壓強
溫度
催化劑
濃度
10～30 MPa
400～500 ℃
鐵觸媒
N2和H2的投料比為1∶2.8，及時分離氨，及時補充原料氣并循環使用原料氣
【學習任務二】尋找工業合成氨的適宜條件
實際生產條件的選擇
“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
【學習任務三】合成氨的研究歷史
【學習任務四】化學反應調控的基本原則
化學平衡
反應速率
設備條件
安全操作
確定反應
原理分析
實驗摸索
明確目的
最佳效果
經濟成本
環境保護
社會效益
影響
因素 有利于加快反應速率的控制 有利于平衡正向移動
的條件控制 綜合分析結果
濃度 增大反應物濃度 增大反應物濃度、
減小生成物濃度
壓強 高壓(有氣體參加) 氣體體積減小
氣體體積增大
溫度 高溫 ΔH<0
ΔH>0
催化劑 加合適的催化劑 無影響
不斷補充反應物、
及時分離出生成物
設備條件允許的前提下，
盡量采取高壓
高壓
低壓
兼顧速率和平衡，
選取適宜的壓強
低溫
高溫
兼顧速率和平衡，
考慮催化劑的適宜溫度
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
加合適的催化劑
回答下列1-5題：
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=-198 kJ·mol-1。(已知催化劑是V2O5,在400~500 ℃時催化效果最好)下表為不同溫度和壓強下SO2的轉化率(%):
【學習評價】
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/%
0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
1.根據化學理論分析,為了使二氧化硫盡可能轉化為三氧化硫,應選擇的條件是什么
2.在實際生產中,選定400~500 ℃,其原因是什么
3.在實際生產中，采用的壓強為常壓，原因是什么
4.在實際生產中,通入過量空氣,原因是什么
5.尾氣中的SO2必須回收，原因是什么
低溫、高壓。
兼顧速率和平衡,且在此溫度下催化劑的活性最高。
常壓下SO2的轉化率就已經很高了(97.5%),增大壓強時，轉化率提升不明顯,但對材料的強度和設備制造的要求都提高很多，會增大設備的成本,得不償失。
增大反應物O2的濃度,提高SO2的轉化率。
防止污染環境;循環利用,提高原料的利用率。
【學習評價】
（1）常溫常壓下直接合成氨，相較于熱催化能耗更低。查閱資料了解電化學催化合成氨的技術發展。
（2）合成氨除了應用于化肥生產，還有什么用途？
2、課后調查合成氨的發展前景
1、課本51頁習題
【作業】

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