资源简介

(共23张PPT)
2.4 化学反应的调控
核心素养目标
1.宏观辨识与微观探析：
宏观层面：通过观察工业生产中反应条件的调控效果，建立 “宏观条件改变→反应速率 / 平衡移动→产物量变化” 的关联认知。
微观层面：从活化分子、有效碰撞理论出发，理解浓度、温度、催化剂等条件改变对微观粒子行为的影响，形成 “微观机制→宏观调控” 的分析路径。
2.变化观念与平衡思想：
动态调控观念：认识化学反应调控是通过改变条件对速率和平衡进行协同优化，建立 “条件扰动→速率 / 平衡响应→目标优化” 的动态思维。
系统平衡思想：结合勒夏特列原理和速率方程，理解调控需综合考虑反应速率和平衡转化率，构建 “多因素协同调控→系统最优解” 的模型。
3.科学态度与社会责任：
社会与环境责任：联系化工生产中的节能减排，认识化学反应调控在降低成本、减少污染中的实际价值，强化 “绿色化学” 和可持续发展的社会责任感。
学习重难点
学习重点
1.调控反应的关键因素：掌握浓度、温度、压强、催化剂对反应速率和平衡的影响规律。
2.工业调控的综合策略：理解合成氨等典型工业中 “高压+ 适宜温度+ 催化剂” 的协同调控逻辑。
学习难点
1.多目标调控的矛盾协调：如放热反应中低温有利于平衡但降低速率，需分析 “速率 - 平衡” 的平衡点。
2.催化剂的选择性调控：理解催化剂对特定反应路径的选择性，突破 “催化剂不影响平衡但改变速率” 的应用难点。
课前导入
面包发酵时，酵母菌催化葡萄糖生成二氧化碳和乙醇
家庭发酵时，如何通过调控温度、湿度等条件加快发酵速率，同时避免乙醇过度挥发？
合成氨反应
PART 01
1.合成氨反应的特点
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。
下面我们以工业合成氨生产条件的选择为例，研究化学反应的调控问题。
N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)
△H= -92.4 kJ/mol
由 △H-T△S＜0 可知，该反应在较低温度下能自发进行
（1）可逆反应
（2）ΔH<0、ΔS<0
（3）常温下K＝5.0×108，K值越大，反应进行的程度越大
2.合成氨反应的分析
【思考与讨论】
（1）原理分析
根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、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 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
增大反应物的浓度
增大反应物的浓度或减小生成物的浓度
升高温度
降低温度
增大压强
增大压强
使用催化剂
无影响
不一致
一致
2.合成氨反应的分析
（2）数据分析
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(体积分数) 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
由表中数据可知，增大压强，降低温度均有利于提高平衡混合物中氨的含量
2.合成氨反应的分析
（3）结论：
① 升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等可以使合成氨的反应速率增大。
② 降低温度、增大压强、增大反应物浓度等有利于提高平衡混合物中氨的含量。
催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成
升高温度，氨的含量降低，化学反应速率加快。两者矛盾；
增大压强，氨的含量增大，化学反应速率加快。两者一致。
工业合成氨适宜条件的选择
PART 02
1.压强
（1）理论分析：压强越大，合成氨的反应速率越大，原料的转化率越高，平衡混合物中氨的体积分数越高。
（2）限制：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。
（3）实际选择：
目前，我国的合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa。
2.温度
（1）理论分析：
温度越低，原料的转化率越高，平衡混合物中氨的体积分数越高。
（2）限制：温度降低会使化学反应速率减小，反应达到平衡所需时间变长，降低综合经济效益。
（3）实际选择：
目前，合成氨在实际生产中一般采用的温度为400 ℃~500 ℃。
3.催化剂
多个峰的含义？
即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。通常采用加入催化剂的方法，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应。
计算机模拟的铁触媒参与下合成氨反应能量-反应历程图
目前，合成氨工业中普遍使用的催化剂是铁触媒。
由图可知，铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选在400 ℃~500 ℃进行的重要原因。
4.浓度
（1）理论分析：
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。
4.浓度
（2）实际选择：
NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线
① 及时分离出生成物：采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液态氨后及时从平衡混合物中分离出去，使平衡向生成NH3的方向移动。
② 原料气循环使用：将NH3分离后的原料循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定浓度，以利于合成氨反应的进行。
5.合成氨的生产流程
干燥净化
N2+H2
N2+H2
压缩机加压
10 MPa~30 MPa
N2+H2
热交换
铁触媒
400 ℃~500 ℃
N2+H2
NH3+N2+H2
冷却
液态NH3
NH3+N2+H2
N2+H2
除去水蒸气及其他杂质，防止催化剂“中毒”
循环使用原料气，并不断补充N2和H2，以增加反应物浓度
增大压强
为原料气反应提供热量，充分利用能源，提高经济效益
减小生成物浓度
①原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性。
②压缩机加压：增大压强。
③热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。
④冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。
⑤循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。
5.合成氨的生产流程
6.化学反应的调控
（1）定义：
就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。
（2）考虑因素：
在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。
（3）控制反应条件的目的
① 促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。
（3）控制反应条件的目的
② 抑制有害的化学反应：
通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。
6.化学反应的调控
（4）控制反应条件的基本措施
① 控制化学反应速率的措施：通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。
② 提高转化率的措施：通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。
随堂测试
1.1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是（ ）
A.①②③ B.②④⑤
C.①③⑤ D.②③④
B　
随堂测试
2.据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g) CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是（ ）
A.使用Cu -Zn -Fe催化剂可大大提高生产效率
B.反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应
C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率

B　
随堂测试
3.某温度下，对于反应: N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是
A.将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ
B.平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)C.上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的
转化率增大
D.升高温度，平衡常数K增大

C　
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