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第二章 化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
教学目标
1、教学目标
1) 通过工业合成氨适宜条件的选择与优化，认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。
2) 在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路，体会化学反应原理的应用价值。
2、教学重点和难点
1) 重点：合成氨反应中化学反应速率和化学平衡的综合调控。
2) 难点：形成多角度调控化学反应的思路。
合成氨的提出
20世纪初，世界人口激增，有机肥料已经无法满足土壤对氮肥的需求。氮肥的化工生产提上了日程。
氮短缺事关人类的存亡，某一天将会有一位化学家寻找出一种方法，将成对的氮原子间三键打破，制出一种能为植物吸收的氮的化合物。
——威廉 克鲁克斯
先合成氨，再进一步将之转化为铵盐或者硝酸盐，变成了土壤可吸收的形式。最好的原料是空气，因为它其中富含氮元素。
——卡尔·博施
合成氨很难
化学反应的调控
调控外界条件
温度、浓度
压强、催化剂
化学反应速率
化学平衡
哈伯法合成氨
1903年哈伯发现在常温的条件下，氮、氢难以生成氨，在高温的条件下，氨太易于分解。在1000摄氏度时，合成氨只占到混合气体的0.01，根本没有意义。
问题一：升高温度对反应有什么影响？
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
温度
温度 25℃ 350℃ 400℃ 450℃ 600℃ 700℃
平衡常数 5×108 1.847 0.507 0.152 0.009 2.6×10 3
合成氨反应的平衡常数随温度的变化
反应速率加快
平衡逆向移动
升高
温度
化学反应速率
化学平衡
理论分析：
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
温度
实际预测：
温度的选择：快与少、慢与多的权衡
·
200 300 400 500 600
80
60
40
20
温度/℃
NH3的体积分数/%
10
30
50
70
90
·
·
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·
压强：10MPa
结论：温度不宜过高也不宜过低
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
哈伯法合成氨
1908年哈伯成功地设计出一套精密的高压装置。罗塞格尔和他实验室的机械师们一起创造了新的阀门，将哈伯的设计变成了现实。
问题二：增大压强对反应有什么影响？
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
压强
反应速率加快
平衡正向移动
增大压强
化学反应速率
化学平衡
理论分析：
0 20 40 60 80 100
80
60
40
20
·
·
·
·
压强/MPa
NH3的体积分数/%
400℃
实际预测：
压强的选择：成本与效益的博弈
压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这会加大生产投资，可能降低综合经济效益。
结论：压强不宜过高也不宜过低
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
催化剂
合成氨仍然存在的问题？
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
显著改变反应速率
平衡不移动
使用
催化剂
化学反应速率
化学平衡
使用催化剂
加含铅镁的铁做催化剂
寻找合适的催化剂
效果不够理想
铁
锇
铀
含铅镁的铁
效果好，但储量极少
铀价格昂贵 ，性质过于敏感
效果好，原料易得，性质稳定
科学家坚持不懈精神
2016年中科院大连化学物理研究所研究团队研制合成了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350℃、1 MPa，更加节能、降低成本。
催化历程
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
2007 年 Ertl 证实了 N2与 H2在催化剂表面合成氨的反应历程如图所示
催化历程 (一般包括步骤)：扩散→吸附→表面反应→脱附→扩散
小结：温度、压强不宜过高也不宜过低；加入含铅镁的铁做催化剂
数据分析
温度
·
200 300 400 500 600
80
60
40
20
温度/℃
NH3的体积分数/%
10
30
50
70
90
·
·
·
·
10MPa
催化剂
反应
速率
已知合成氨的催化剂在500℃ 左右时活性最大
400℃~500℃
温度
转化率
降低温度
数据分析
0 20 40 60 80 100
80
60
40
20
·
·
·
·
压强/MPa
NH3的体积分数/%
400℃
压强
增大
转化率越高
对材料的强度和设备的制造高，增加生产投资，并可能降低经济效益
压强为10 ~ 30MPa
数据分析
温度/℃ 氨的含量/% (体积分数)
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 9.10 13.8 23.1 31.4
不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量
浓度
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝ 92.4kJ/mol
平衡正向移动
化学平衡
增大反应物浓度
降低生成物浓度
想一想：还有什么办法可以提高氨的产率？
浓度
增大反应物浓度
降低生成物浓度
原料气循环利用
及时补充N2和H2
将氨气及时从混合物中分离
原料气循环通过合成塔
合成氨常用的生产条件
热交换
N2＋H2
N2＋H2
干燥
净化
N2＋H2
压缩机
压缩
10MPa~30MPa
N2＋H2
铁触媒
400℃ ~ 500℃
冷缺
液态NH3
NH3＋N2＋H2
NH3＋
N2＋H2
N2
＋
H2
1) 催化剂：铁触媒催化剂
2) 温度：400℃ ~ 500℃
3) 压强：10MPa ~ 30MPa
3) 原料气循环利用及时分离出氨气
化工生产中调控反应的一般思路
选择合成氨反应的条件不能一味追究转化率，也不能只追求速率，而是要寻找既有高反应速率，又有高平衡转化率的反应条件。我们在理论分析的基础上，进一步考虑实践层面，如设备、成本、耗能、环保、操作等方面，权衡利弊，多角度探索合成氨的最佳条件。
化学反应
原理分析
实践层面
理想理念
反应速率
化学平衡
成本核算
设备可行
可持续发展
“绿色化学”
解决实际问题
(1) 从理论分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是 。
(2) 在实际生产中，选定的温度为400～500℃，原因是 。
(3) 在实际生产中，采用的压强为常压，原因是 。
练、在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化为SO3：
2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH＝ 196.6 kJ·mol 1。(已知：催化剂
V2O5，在400～500℃时催化剂效果最好)下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
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
V2O5
Δ
解决实际问题
(4) 在实际生产中，通入过量的空气，原因是 。
(5) 工业上采用V2O5做催化剂，有人提出如下反应历程：
反应Ⅰ： 2SO2 + V2 O5＝SO3 + V2 O4 （较慢）
反应Ⅱ： 2SO2 + V2 O5＝SO3 + V2 O4 （较快）
由此推知，活化能较大的是反应________填“”或“”。
(6) 尾气中的SO2必须回收，原因是_______________ 。
随堂练习
随堂练习
N2和H2的比例 (恒温恒压)
初始投料n(H2) : n(N2)＝x时，平衡时NH3的百分含量如下图
0.5
0.4
0.0
0.1
0.2
0.3
0 2 4 6 8 10 12 14
n(H2)
n(N2)
φ(NH3)
当x＝3:1时，平衡时NH3的百分含量最大
N2和H2的实际投料比为1:2.8
谢谢

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