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(共26张PPT)
第二单元 化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
学习目标
1.通过工业合成氨适宜条件的选择和优化，了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。
2.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异，体会化学反应原理的应用价值。
新课导入
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。
这些是生活中对化学反应的调控，实际对化学反应的调控在工业上的应用更为广泛，我们以工业合成氨生产条件的为例，来进行研究。
任务一
合成氨反应条件与原理分析
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) △H＝－92.2kJ mol-1 S＝－198.2J K-1 mol-1
请根据在298K时合成氨反应的焓变和熵变分析：
△ G=△H－T△S = －33.14 kJ·mol－1＜0，可以正向自发进行。
常温下合成氨不容易进行，难在哪儿？如果是你，你会怎样分析？
【思考与讨论】
1.在298K时合成氨反应能否正向自发进行？
2.常温下合成氨很容易进行吗？
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
1.反应原理和特点
任务一
合成氨反应条件与原理分析
合成氨反应：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。
(1)可逆性：反应为可逆反应。
(2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。
(3)焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0。
(4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。
2.原理分析
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
提高平衡混合物中氨的含量
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＜0
任务一
合成氨反应条件与原理分析
增大反应物浓度
增大反应物浓度或减小生成物浓度
升高温度
降低温度
增大压强
增大压强
使用催化剂
无影响
任务一
合成氨反应条件与原理分析
3.数据分析
下表的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。
温度/℃ 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
压强越大，NH3%越大。
温度越低，NH3%越大。
实验数据表明应采取的措施与理论一致。
4.结论分析
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＜0
任务一
合成氨反应条件与原理分析
①升高温度，氨的含量降低，化学反应速率加快。两者矛盾；
②增大压强，氨的含量增大，化学反应速率加快。两者一致。
那么实际生成中到底选择哪些适宜的条件呢？
【原理分析】
压强越大越好
【实际选用】
目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa。
【理由】
1.压强
任务二
工业合成氨的适宜条件
压强越大，速率、转化率都大，但对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力越大，这将会大大增加生产投资，降低综合经济效益。
【原理分析】
低温能提高平衡转化率，但速率慢，到达平衡时间长，经济效益差；
高温温能提高速率，但转化率小，且催化剂在500 ℃时活性最大。
【实际选用】
2.温度
目前，实际生产一般采用的温度为400~500℃。
任务二
工业合成氨的适宜条件
任务二
工业合成氨的适宜条件
【原理分析】
加催化剂可改变反应历程，加快反应速率
【实际选用】
目前，普遍使用以铁为主体成分的催化剂，即铁触媒，500℃左右时活性最大 。
3.催化剂
为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
任务二
工业合成氨的适宜条件
在温度与压强的最佳条件下，平衡混合物中氨的含量仍不高，怎么办？
温度/℃ 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
任务二
工业合成氨的适宜条件
4.浓度
图：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线
①从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。
②不断地补充反应物或者及时的分离生成物有利于工业生产
a.迅速冷却氨气成液态并及时分离
b .将氨分离后的原料气循环使用，并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度。
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10～30 MPa)
温度 适宜温度，400～500 ℃
催化剂 使用铁触媒做催化剂
浓度 N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去，原料气循环使用
任务二
工业合成氨的适宜条件
N2+H2
干燥
净化
防止催化剂中毒
N2+H2
压缩机加压
10MPa～30MPa
N2+H2
热交换
N2+H2
铁触媒
400～500℃
N2+H2+NH3
冷却
液态NH3
N2+H2+NH3
N2+H2
增大压强
促使化学平衡向生成氨气的方向移动
原料气循环利用，
提高原料利用率
合成氨的生产流程
、
、
【练习】
1.正误判断
(1)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行
(2)在合成氨的实际生产中，温度越低，压强越大越好
(3)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率
(4)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应
(5)增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨的产率
(6)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的
×
×
×
×
√
×
2.下列有关合成氨工业的说法正确的是（ ）
A.N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C.工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
D
【练习】
3.在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述正确的是（ ）
A.都能提高反应速率，都对化学平衡无影响
B.都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间
C.都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响
D.使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果
C
【练习】
可行性
分析
分析
调控方法
实验摸索
设备要求、
安全操作
经济成本
确定最佳条件
选取恰当的反应
考虑参加反应的
物质 、 和
等本身因素
原理分析：
化学平衡
反应速率
尽量增大
______，
充分利用原料
选择较快的________
组成
结构
性质
转化率
反应速率
任务三
化工生产中调控反应的一般思路
选择化工生产适宜条件的分析角度
分析角度 原则要求
从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压的能力等
从催化剂的使用活性分析 注意催化剂的活性对温度的限制
在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：
2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化剂是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/%
0.1 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)从理论上分析，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________________。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
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)在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，原因是_____________
_________________________________________________________________________________________________。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
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
在此温度下，
催化剂活性最高。温度较低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长；温度较高，SO2的转化率会降低
深度思考
(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是____________________
_____________________________________________________________________________________________________________。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
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
在常压下SO2的转化率
就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大对设备的要求而增大生产成本
深度思考
(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是______________________
______________________。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
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
增大反应物O2的浓度，
有利于提高SO2的转化率
深度思考
(5)尾气中SO2必须回收，原因是_________________________________
______________________。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
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)
防止污染环境；循环利用，提高原
深度思考

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