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(共20张PPT)
第二章·化学反应速率 化学平衡
第四节
化学反应的调控
1898 年英国物理学家克鲁克斯“先天下之忧而忧”，率先发出“向空气要氮肥”的号召。
人工合成氮肥的物质转化
如何从空气中获得肥料？
氢化物
单质
氧化物
酸
盐
物质分类
－3
0
＋2
＋4
＋5
氮气
NH3
－3
0
NO
NO2
HNO3
路径一电弧法固氮
化合价
路径二合成氨法
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)
【学习任务一】选择合适的工业反应
工业上选择哪种方法进行固氮，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
常温下( 298K )=4.1×106
方案二：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
常温下( 298K ), K=3.8×10-31
常温下( 298K )，△G>0，反应不能自发进行
常温下( 298K )，△G<0，反应能自发进行
且反应进行程度大
【学习任务一】选择合适的工业反应
考虑化学反应的方向和化学反应的限度
假如你是合成氨的工程师，你如何为工厂设计合成氨的生产条件，结合我们所学的知识可以从哪些角度分析？
（3）原料
（4）设备、安全等
（2）快
（1）多
即提高氨的含量——化学平衡问题
即提高单位时间里氨的产量
——化学反应速率问题
N2: 空气中分离（液化，蒸发）；
H2: 煤、焦炭与水蒸气 C+H2O(g)=CO+H2
【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件
（5）综合经济效益
对合成氨的影响 影响因素
浓度 温度 压强 催化剂
增大反应速率
提高平衡混合物中氨的含量
增大
升高
增大
使用催化剂
增大反应物浓度
降低生成物的浓度
降低
增大
不影响
【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件
【原理分析】根据合成氨反应特点，如何通过选择反应条件加快反应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
【结论分析】①升高温度，氨的含量 ；这与反应速率是 的。
②增大压强，氨的含量 ；这与反应速率是 的。
降低
相矛盾
增大
相一致
【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件
【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)。
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。
实际生产条件的选择
【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件
压强
①原理分析：
②实际分析：
③结论
：
目前，一般采用的压强为10 MPa~30 MPa。
合成氨时压强越大越好
但压强大，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
温度
①原理分析：
②实际分析：
③结论：
实际生产条件的选择
【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件
根据平衡移动原理，
合成氨应采用低温以提高平衡转化率
但温度降低会使反应
速率减小，达到平衡时间变长，这
在工业生产中是很不经济的。
目前，一般采用的温度为
400 ~500 ℃。
实际生产条件的选择
【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件
催化剂
①原理分析：
②实际分析：
催化剂不同温度下的催化能力
使用催化剂能改变反应
历程，降低反应活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。目前
合成氨工业中普遍使用的是铁触媒。
铁触媒在500℃左右时活性最大，
一般选择400 ~500 ℃
混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气
必须经过净化
实际生产条件的选择
【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件
浓度
　
①原理分析：
②实际分析：
工业上采取迅速冷却的方法，使氨气变成液氨并及时分离减小生成物浓度，平衡向正向移动，提高氨的产率。
分离后的原料气N2和
H2，及时补充并循环使用，使
反应物保持一定的浓度。
【资料卡片】：NH3含量的实验测定结果
NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线
n(N2):n(H2)=1 : 2.8 最优
工业合成氨的适宜条件
压强
温度
催化剂
浓度
10～30 MPa
400～500 ℃
铁触媒
N2和H2的投料比为1∶2.8，及时分离氨，及时补充原料气并循环使用原料气
【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件
实际生产条件的选择
“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
【学习任务三】合成氨的研究历史
【学习任务四】化学反应调控的基本原则
化学平衡
反应速率
设备条件
安全操作
确定反应
原理分析
实验摸索
明确目的
最佳效果
经济成本
环境保护
社会效益
影响
因素 有利于加快反应速率的控制 有利于平衡正向移动
的条件控制 综合分析结果
浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度、
减小生成物浓度
压强 高压(有气体参加) 气体体积减小
气体体积增大
温度 高温 ΔH<0
ΔH>0
催化剂 加合适的催化剂 无影响
不断补充反应物、
及时分离出生成物
设备条件允许的前提下，
尽量采取高压
高压
低压
兼顾速率和平衡，
选取适宜的压强
低温
高温
兼顾速率和平衡，
考虑催化剂的适宜温度
在设备条件允许的前提下，
尽量采取高温并考虑催化剂
的活性
加合适的催化剂
回答下列1-5题：
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=-198 kJ·mol-1。(已知催化剂是V2O5,在400~500 ℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%):
【学习评价】
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
1.根据化学理论分析,为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫,应选择的条件是什么
2.在实际生产中,选定400~500 ℃,其原因是什么
3.在实际生产中，采用的压强为常压，原因是什么
4.在实际生产中,通入过量空气,原因是什么
5.尾气中的SO2必须回收，原因是什么
低温、高压。
兼顾速率和平衡,且在此温度下催化剂的活性最高。
常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%),增大压强时，转化率提升不明显,但对材料的强度和设备制造的要求都提高很多，会增大设备的成本,得不偿失。
增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率。
防止污染环境;循环利用,提高原料的利用率。
【学习评价】
（1）常温常压下直接合成氨，相较于热催化能耗更低。查阅资料了解电化学催化合成氨的技术发展。
（2）合成氨除了应用于化肥生产，还有什么用途？
2、课后调查合成氨的发展前景
1、课本51页习题
【作业】

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