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第四节 化学反应的调控
第二章 化学反应速率与化学平衡
选择性必修1 化学反应原理
根据联合国及各国统计局，截止2023年07月，全球240个国家和地区人口总数为：
需要解决的第一要务是什么
8,032,122,420人
课堂导入
课堂导入
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。
你会选择哪套方案实现固氮呢？
方案一：N2(g)＋O2(g) 2NO(g)
△ G = △ H - T△ S=+53.3kJ/mol
方案二：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
△ G = △ H - T△ S=-33.1kJ/mol
化学反应 N2(g)＋O2(g) 2NO(g) N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
焓变kJ/mol +90.25 -92.2
熵变J·mol-1·K-1 +124 -198.2
化学反应 N2(g)＋O2(g) 2NO(g) N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
温度℃ 25 25
平衡常数 3.8×10-31 5×108
T临界=727.82K
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合成氨反应的特点
工业合成氨生产条件的选择
合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：
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)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS 0，能自发进行。
(2)可逆性：反应为 反应。
(3)熵变：ΔS 0，正反应是气体体积 的反应。
(4)焓变：ΔH 0，是 反应。
<
可逆
<
缩小
<
放热
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原理分析
根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析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，请填写下表。
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
增大反应物浓度
增大
增大
升高
降低
使用
无影响
增大反应物浓度
减小生成物浓度
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数据分析
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)。
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1、结合表2-2数据分析，分析在压强相等时，温度的变化对平衡时氨的含量的影响，思考如何选择温度？
压强相等时，随着温度越高，平衡时氨的含量越低。
2、结合表2-2数据分析，分析在温度相等时，压强的变化对平衡时氨的含量的影响，思考应如何选择压强？
温度相等时，随着压强越大，平衡时氨的含量越高。
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3、分析催化剂对速率和产率是否会发生影响，以及在实际生产中是否有必要加入催化剂？
使用催化剂，反应速率增大，但产率不变。
4、综合上述各方面，分析增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致？
升高温度，氨的含量降低，这与反应速率是相矛盾的。
增大压强，氨的含量增大，这与反应速率是相一致的。
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1、升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都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
3、催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成
小结
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工业合成氨的适宜条件
（一）压强：
合成氨厂一般采用的压强为
10 MPa~30 Mpa。
【思考1】合成氨时压强越大越好，为何不采用比30 MPa更大的压强
提示：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。
压强的选择——成本与效益的博弈
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（二）催化剂：
目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400~500℃进行的重要原因。
另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”,原料气必须经过净化。
在高温高压下，合成氨的反应仍然进行得十分缓慢，加入催化剂改变反应历程，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。
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（三）温度：
一般采用的温度为400~500 ℃。
【思考2】合成氨采用低温时可提高转化率，但为何未采用更低的温度
温度的选择—快与少、慢与多的权衡
提示：温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长,不经济。升高温度，转化率降低，因此，需要一个适宜的温度；另外，合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500 ℃左右活性最大。
合成氨催化剂的选择
德国化学家博施
据统计，约90%以上的化学工业过程中都使用催化剂。合成氨需要用到催化剂铁触媒，为了寻找合适的催化剂，博施及其研究组进行了大量的试验，一直到1922年，共进行了超过2500 种配方的20 000 多次试验，终于筛选出了合成氨工业用催化剂。尽管后来不断地改进，但这种类型的催化剂一直沿用至今。
利用氮气与氢气直接合成氨的工业生产曾是一个较难的课题；
1909年，德国物理化学家哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5~20 MPa和500~600 ℃下直接合成，但氨的产率仅为6%。
德国化学家哈伯
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（四）浓度：
采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。
此外，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔发生反应也是很不经济的，应将NH3分离后的原料气循环使用，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。
根据理论计算C(N2):C(H2)=1:3时氨气产率最高
N2的吸附分解所需活化能较高，是合成氨的决速步，需要适当提高N2浓度以提高此步反应速率，因此控制C(N2):C(H2)=1:2.8
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工业合成氨的适宜条件
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
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化学反应的调控
2、化学反应的调控
①含义：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考虑实际因素：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；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。
1、影响化学反应进行的因素
首先是参加反应的物质的______、结构和______等本身因素，其次是温度、______、浓度、_________等反应条件。
组成　
催化剂　
性质　
压强　
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合成氨的生产流程
（一）生产流程
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（二）流程分析
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。
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（二）流程分析
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。
适宜的合成条件
理论分析
提高生产效率
反应能否自发进行
怎样提高反应的产率
怎样提高反应的速率
化学反应的方向
化学反应的限度
化学反应速率
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（三）化工生产适宜条件选择的一般原则
1．化学反应速率：既不能过大，又不能太小。
2．化学平衡移动。
(1）注意外界条件对反应速率和平衡影响的一致性。
(2）注意对二者影响的矛盾性。
3．原料的利用率：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。
4．实际生产能力：考虑设备承受高温、高压能力等。
5．催化剂的活性：注意温度对催化剂活性的影响。
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（三）化工生产适宜条件选择的一般原则
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1、获得大量廉价原料气体（H2和N2）降低原料成本
2、寻找高效、稳定的催化剂
3、开发适合高温、高压下的合成设备
阅读“科学、技术、社会”栏目，分析从理论到实践的过程中可能遇到哪些困难？
N2：液化空气分离得到
H2：水煤气反应
铁触媒
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在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：
2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) △H＝－196.6kJ/mol。
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。
温温度 平衡时SO2的平衡时SO2的转化率转化率/% 1×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa
450 97.5％ 99.2％ 99.6％ 99.7％
550 85.6％ 94.9％ 97.7％ 98.3％
深度思考
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1．根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是什么？
2．在实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是什么？
3．根据上表中的数据分析，制取SO3时为什么不采用高压？
提示：1×107Pa、450 ℃、催化剂。
提示：在此温度下催化剂的活性最高。
提示：在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大设备的成本，得不偿失。
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4．在生产中，通入过量空气的目的是什么？
5．尾气中的SO2必须回收的原因是什么？
提示：增大反应物中O2的浓度，提高SO2的转化率。
提示：防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率。
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1、对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是
C
选项 A B C D
研究结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响
图示
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2、合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),在400 ℃、30 MPa下, n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。据图推测下列叙述正确的是(　　)。
A.正反应速率:MB.点P处反应达到平衡
C.点Q(t1时刻)和点R(t2时刻)处n(N2)不一样
D.其他条件不变时,500 ℃下反应至t1时刻,
n(H2)比图中Q点的n(H2)大
D
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3、下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是
A.使用铁触煤，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C.700 K左右比室温更有利于合成氨的反应
D.合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
B
课堂总结

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