资源简介

(共26张PPT)
第一章
化学反应的热效应
第二章 化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
本节重点
从限度和速率角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析
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。
合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大成就，在农业、工业生产中具有及其重要的意义，满足了人类的需求。
2NH3
N2 + 3H2
催化剂
高温、高压
如何提高生产效率呢？只要尽力提高化学反应速率生产效率就一定高吗？
工业生产中的两个关键
①反应速率：快出产品
②化学平衡：多出产品
其原理如下：
1．合成氨反应的特点
合成氨反应： 298 K N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) 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)正反应为放热反应：ΔH<0，熵变：ΔS<0。
(4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行
主题1:合成氨条件的理论分析
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却一一都失败了。
哈伯合成氨所用装置
冷却室
反应器
出水口
干燥室
液态NH3
出口
进水口
未反应气体通过循环泵返回
压缩N2和H2进口
德国化学家哈伯向合成氨发起冲击。1908年7月，他在实验室用氮气和氢气在600 ℃、20 MPa下得到了氨，但是产率只有2%。
【思考与讨论】：合成氨很难吗？合成氨不容易，难在哪儿？
如果是你，如何增大反应速率，提高合成氨的产率呢？
主题1:合成氨条件的理论分析
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
交流讨论
2.原理分析
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
升温
增大
催化剂
增大
降温
增大
不影响
主题1:合成氨条件的理论分析
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)。
压强增大，氨的含量增大
温度升高，氨的含量降低
增大压强、降低温度均有利于提高平衡混合物中氨的含量
主题1:合成氨条件的理论分析
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 增大反应物浓度 升高温度 增大压强 使用催化剂
提高平衡混合物中氨的含量 增大反应物浓度 降低温度 增大压强 ——
一致
矛盾
一致
不一致
那么实际生成中到底选择哪些适宜的条件呢？
4、合成氨反应的结论分析：
主题1:合成氨条件的理论分析
课堂检测
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。 (　　)
(2)合成氨反应中,压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。 (　　)
(3)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。 (　　)
(4)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 ( )
(5)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。 ( )
(6)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。( )
√
×
×
×
×
×
课堂检测
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
应选择一个合适的投料比
对平衡无影响
ΔH－TΔS<0时反应自发进行，而合成氨该反应ΔH<0、ΔS<0，故在常温条件下能自发进行
D
课堂检测
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
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
催化剂能提高反应速率，缩短达到平衡的时间，不能使平衡移动；
施加高压既能提高反应速率，缩短达到平衡的时间，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。
压强
400℃下平衡时的体积分数
随压强的变化示意图
①原理分析：压强增大，氨的含量增大，合成氨的反应速率加快。
【平衡、速率角度一致】
②实际分析：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。
选择生产条件的原则：既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。
③结论：目前，一般采用的压强为10MPa-30MPa。
主题2:合成氨适宜条件的调控
温度
①原理分析：根据平衡移动原理，合成氨应采用低温以提高平衡转化率。
②实际分析：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。
③结论：目前，一般采用的温度为400 ~500 ℃。
主题2:合成氨适宜条件的调控
催化剂不同温度下的催化能力
催化剂
①原理分析：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。
②实际分析：铁触媒在500℃左右时活性最大，这也是合成氨一般选择400 ~500 ℃进行的重要原因。
主题2:合成氨适宜条件的调控
吸附
表面反应
脱附
理解催化剂作用下的反应历程
扩散 → 吸附 → 表面反应 → 脱附 → 扩散
主题2:合成氨适宜条件的调控
理解催化剂作用下的反应历程
决速步骤
吸附：N2(g) → N2(ad) H2(g) → H2(ad)
表面反应：
N2(ad) → 2N(ad) H2(ad) → 2H(ad)
N(ad) + H(ad) → NH(ad)
NH(ad) + H(ad) → NH2(ad)
NH2(ad) + H(ad) → NH3(ad)
脱附：NH3(ad) → NH3(g)
主题2:合成氨适宜条件的调控
浓度
①原理分析：为提高平衡转化率，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。
②实际分析：分离后的原料气N2和H2，并及时补充循环使用，使反应物保持一定的浓度。
图：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线
主题2:合成氨适宜条件的调控
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的的投料比为1∶2.8，及时分离氨，原料气循环使用
1.合成氨的适宜条件总结
主题2:合成氨适宜条件的调控
2.合成氨工业流程
1、干燥、净化：除去原料气中的杂质，防止催化剂“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。
主题2:合成氨适宜条件的调控
2.合成氨工业流程
4、冷却：NH3的液化需较低温度，迅速冷却使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离，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。
主题2:合成氨适宜条件的调控
3、化学反应条件的控制
（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
可自发
优先考虑催化剂
温度、浓度、压强等
大大提高转化率
主题2:合成氨适宜条件的调控
归纳总结
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
课堂检测
1.CO和NO都是汽车尾气中的有害物质，它们之间能缓慢发生反应：2NO（g）＋2CO（g） N2（g）＋2CO2（g） ΔH＜0，现利用此反应，拟设计一种环保装置，用来消除汽车尾气对大气的污染，下列设计方案可以提高尾气处理效果的是（ ）
①选用合适的催化剂 ②提高装置温度 ③降低装置的压强
④向装置中放入碱石灰
A．①③ 　　　　 B．②④
C．①④ 　　　　 D．②③
C
课堂检测
2.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
课堂小结
a、抓住反应特点 ：反应热：ΔH>0 或者 ΔH<0
反应前后气体体积变化：ΔVg > 或 ΔVg<0
b、运用平衡规律：把外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响和实际情况相结合起来
c、准确分析数据：结合测定的实验数据准确分析反应条件，解决化学反应的调控
Thank you for watching

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