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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
引课视频 工业合成氨的发展
阅读课本P47 合成氨——实验室研究与工业化生产
氮短缺事关人类的存亡，某一天将会有一位化学家寻找出一种方法，将成对的氮原子间三键打破，制出一种能为植物吸收的氮的化合物。
——威廉 克鲁克斯（英国）
学习目标
1、认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要意义，能讨论化学反应条件的选择和优化。
2、能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。
工业生成需要考虑的问题
速率
产率
经济
成本
设备
条件
安全条件
N2+O2 2NO
放电
或高温
======
①电弧法固氮：
②人工合成氨
N2+3H2 2NH3
高温、高压
催化剂
NO3－
用空气制造面包的圣人——弗里茨·哈伯因发明用氮气和氢气合成氨的方法获得1918年诺贝尔化学奖
如何从空气中获得肥料？
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) △H＝－92.2kJ mol-1 S＝－198.2J K-1 mol-1
请根据反应的焓变和熵变分析在298K时合成氨反应能否正向自发进行？
△ G=△H－T△S = －33.14 kJ·mol－1＜0，可以自发
K(298K)=4 × 106,接近完全
先合成氨，再进一步将之转化为铵盐或者硝酸盐，变成了土壤可吸收的形式。最好的原料是空气，因为它其中富含氮元素。
——卡尔 ·博施
一、合成氨反应条件的原理分析
1.反应原理：
2.反应特点
课本P44思考与讨论：
①可逆反应;
②气体体积减小的放热反应；
③熵减小反应。
3、反应条件的选择
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
增大反应物浓度
升高温度
降低温度
增大压强
增大压强
使用催化剂
无影响
以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中按的含量
温度/℃ 氨的含量/% 0.1MPa 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
二、合成氨反应的数据分析
温度升高，氨的含量降低，产率减小，但反应速率快。
压强增大，氨的含量提高，产率增加，反应速率也快。
三、合成氨反应条件的控制
1、压强
但是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，
这将会大大增加生产投资，
并可能降低综合经济效益。
目前，我国的合成氨厂
一般采用的压强为10～30MPa
压强越大，速率、转化率都大
综合分析
2、温度
综合分析
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
目前，一般采用的温度为400 ~ 500 ℃
3、催化剂
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进行反应。
弗里茨·哈伯：锇或用铀—碳化铀作催化剂
锇：效果好，但储量极少且锇蒸汽有剧毒。铀：价格昂贵 ，性质过于敏感
卡尔 ·博施：寻找廉价、安全、稳定的催化剂。
6500次试验，2500种不同配方，最终选用活化温度700K左右的含铅镁促进剂的铁触媒。
铁触媒
格哈德·埃特尔
2007年诺贝尔化学奖——证实了氢气与氮气在铁催化剂表面合成氨的反应过程
图2：催化剂不同温度下的催化能力
②混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化
注意：
①催化剂铁触媒在500 ℃左右时的活性最大
哈伯
（1918年）
合成氨的基础开发工作
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
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。
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
小结：合成氨常用的生产条件：
使用催化剂
温度：400~500 ℃
压强: 10 MPa~30 MPa
将氨及时分离出来，原料气循环使用
合成氨工业流程
（1）参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素；
1、影响化学反应进行的因素
（2）温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。
四、化学反应条件的控制
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
a.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，寻找合适的生产条件。
b.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。
（2）原理分析。根据反应特点，利用影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率的反应条件。
（1）分析反应特点。主要分析反应的方向性、可逆性、反应热和熵变等。
（4）根据工业生产的实际情况、经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件。
（3）根据实验数据进一步分析反应条件，确定适宜条件的范围及催化剂的筛选。
选择合适的反应条件思维流程
（1）从理论上分析，为了使SO2尽可能多转化为SO3，应选择的条件是_____
（2）在实际生产中，选定的温度为400~500℃，原因是_________
（3）在实际生产中，采用的压强为常压，原因是__________
（4）在实际生产中，通入过量空气，原因是__________
（5）尾气中的SO2必须回收，原因是__________
课堂练习：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
（3）因为在常压下，400~500℃时，SO2的转化率已经很高了，若再加压
对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不适宜。
（4）增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高SO2的转化率。
（5）减少对环境的污染。
（1）低温、高压
（2）该温度是催化剂的活性温度，选择此温度可提高反应速率，缩短反应
达到平衡所需要的时间。
答案
1.确定反应，了解反应
2.应用速率、平衡理论， 调控反应
3.综合生产实际
优化反应条件
合成氨的工业生产条件：
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
铁触媒
700K，40MPa
考虑温度、压强、浓度、催化剂以及能源、材料和设备成本等
课堂小结
课堂达标
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
②⑤
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
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
4、氢能是一种极具有发展潜力的清洁能源。下列反应是目前大规模制取氢气的方法之一。CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) △H＝－41.2kJ/mol
（1）在生产中，欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，可采取哪些措施？
（2）在容积不变的密闭容器中，将2.0 mol CO与8.0 mol H2O混合加热到830℃ 发生上述反应，达到平衡时CO的转化率是80%。计算该反应的平衡常数。
增加水蒸气的浓度或者及时将CO2移出。
起始物质的量/mol 2.0 8.0 0 0
变化物质的量/mol 1.6 1.6 1.6 1.6
CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)
平衡物质的量/mol 0.4 6.4 1.6 1.6
c(CO)c(H2O)
K＝
c(CO2)c(H2)
＝
0.4×6.4
＝1
1.6×1.6
（3）实验发现，其他条件不变，在相同时间内，向上述体系中投入一定量的
CaO可以明显提高H2的体积分数。对比实验的结果如右图所示。
请思考：投入CaO时，H2的体积分数为什么会增大？
微米CaO和纳米CaO对平衡的影响为何不同？
投入CaO可吸收CO2，c(CO2)减小，使生成H2的反应正向移动，H2的体积分数增大。
若投入纳米CaO时，纳米CaO颗粒小，表面积大，是反应速率加快，所以H2百分含量增大。

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