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第二
章 化学反应速率和化学平衡
第四节 化学反应的调控
一、从合成氨说起
18世纪末，英国化学家克鲁克斯“先天下之忧而忧”，率先发出为了使子孙后代免于饥饿“向空气要氮肥”的号召。
我们对化学反应的调控并不陌生。
例如，为了灭火，可以采取隔离可燃物、隔绝空气或降低温度等措施；
为了延长食物储存时间，可以将它们保存在冰箱中。
1.为什么要合成氨？
化学反应的调控
从化学平衡的视角分析，合成氨应该可行！
氧化法：
还原法：
常温 K＝3.8×10－31
N2(g) + O2(g) 2NO(g)
常温 K＝5.0×108
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
（1）从化学平衡的视角
从哪些角度选择固氮反应
（2）从化学反应的方向性视角
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
自发性：常温（298 K）下，ΔH－TΔS<0，能自发进行
从哪些角度选择固氮反应
2.合成氨很难吗？
合成氨不容易，难在哪儿？如果是你，你会怎样分析？
18世纪末，有人试图在常温常压下合成氨，也有人在常温加压下进行实验。——都失败了
化学反应的调控
德国化学家哈伯向合成氨发起冲击。1908年7月，他在实验室用氮气和氢气在600 ℃、20 MPa下得到了氨，但是产率只有2%。
哈伯合成氨所用装置
冷却室
反应器
出水口
干燥室
液态NH3
出口
进水口
未反应气体通过循环泵返回
压缩N2和H2进口
化学反应的调控
理论分析——合成氨反应有什么样的特点？如何通过选择反应条件提高平衡混合物中氨的含量？
对合成氨反应的影响 影响因素
浓度 温度 压强
提高平衡混合物中氨的含量
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H ＝－92.4 kJ/mol
1.从化学平衡分析
n(N2):n(H2)
≈1:3
及时移走产生的氨
降低
增大
寻找工业合成氨的适宜条件
①温度
理论分析：
低温可以提高平衡混合物中氨的含量。
n(N2):n(H2) ≈ 1:3 10 MPa
实验结果：
与理论预期一致
通过实验验证理论
采用控制变量的方法
寻找工业合成氨的适宜条件
n(N2):n(H2) ≈ 1:3 400 ℃
②压强
理论分析：
压强越大越有利于提高平衡混合物中氨的含量
实验结果：
与理论预期一致
寻找工业合成氨的适宜条件
原料气 n(N2):n(H2)≈1:3、及时移走产生的氨、低温和高压
从化学平衡看，合成氨的适宜条件
为什么没有在常温合成氨？合成氨难在哪儿？还有什么因素制约氨的合成？
常温下合成氨化学反应速率很小！
寻找工业合成氨的适宜条件
合成氨反应为什么慢？
2. 从化学反应速率分析
——活化能高
如何增大合成氨的化学反应速率？
对合成氨 反应的影响 影响因素
浓度 温度 压强 催化剂
增大合成氨 的反应速率
增大
升高
增大
使用
怎样降低反应的活化能？
——改变反应历程
寻找工业合成氨的适宜条件
对合成氨 反应的影响 影响因素
浓度 温度 压强 催化剂
增大合成氨的反应速率 增大 升高 增大 使用
提高平衡混合物中氨的含量 n(N2):n(H2) ≈1:3 及时移走产生的氨 降低 增大 无影响
寻找工业合成氨的适宜条件
3. 综合分析
实现工业生产：综合考虑成本要低！
①压强
从化学反应速率与化学平衡考虑，都是压强越大越好。
综合成本与设备耐压：
10 MPa~30 MPa
②催化剂
增大化学反应速率，不改变平衡混合物的组成。
现在常用铁，其活性最好的温度为500 ℃左右。
③温度
低温可以提高平衡混合物中氨的含量，但低温会减小化学反应速率。
综合考虑，特别是考虑催化剂的活性，一般400~500 ℃
寻找工业合成氨的适宜条件
化学平衡
反应速率
影响因素
调控反应
最佳效果
2.分析调控方法
反应
1.选取恰当的反应
3.探索最佳工艺
哈伯： 锇（剧毒）作催化剂 、17.5 MPa~20.0 MPa、500~600 ℃ 、氨含量6%
博施： 铁作催化剂 、开发了适合高温、高压下的合成设备、设计了获得大量廉价原料气的方法
化工生产中调控反应的一般思路
原料用量n(N2):n(H2)：
理论值为1:3
实际为1:2.8
埃特尔：在合成氨反应初期，氮、氢分子被吸附在铁催化剂表面。进而确定吸附的氮原子和氢原子是反应活性物，整个反应就是氮原子逐步加氢最终生成氨分子的过程，并给出了每步反应的活化能。
哈伯
（1918年）
合成氨的基础开发工作
4.不断技术创新
合成氨与三次诺贝尔化学奖
博施
（1931年）
实现了合成氨的工业化
埃特尔（2007年）
揭开了合成氨的“天机”
“合成氨”里的中国人：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
化工生产中调控反应的一般思路
1．在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有（ ）
①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大
③升高温度 ④降低温度
⑤恒温恒容，再充入N2和H2 ⑥恒温恒压，再充入N2和H2
⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用催化剂
A．②④⑤⑦
B．②③④⑤⑦⑧
C．②⑤
D．②③⑤⑧
C
达标检测
2．下列事实能用勒夏特列原理解释的是（ ）
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B．由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深
C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D．将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应
D
达标检测
3．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是（ ）
A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大
B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大
C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大
D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大
B
达标检测

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