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新人教版 化学 选必1
第二章 化学反应速率
与化学平衡
第四节 化学反应的调控
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作用。
2.知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。
3.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题。
4.能针对合成氨典型案例，从限度和速率等角度综合分析化学反应和化工生产条件的选择和优化。
教学重点
化学反应速率和化学平衡的综合调控
教学难点
化学反应速率和化学平衡的综合调控
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)
meiyangyang8602
空气变面包的反应
18世纪末，英国化学家克鲁克斯“先天下之忧而忧”，率先发出为了使子孙后代免于饥饿“向空气要氮肥”的号召。
如何从空气中获得肥料？
方案二：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
一、化学反应的调控
我们对化学反应的调控并不陌生。
鼓风加快物质燃烧
降温延长食物储存时间
降低温度以此灭火
实际对化学反应的调控在工业上的应用更为广泛，我们以工业合成氨生产条件的为例，来进行研究。
一、化学反应的调控
1.固氮的可行性分析
【情境创设】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？
（4）原料
（5）设备、安全等
（3）快
（2）多
即提高氨的含量——化学平衡（限度）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
（6）综合经济效益
（1）生产的可行性
化学反应的方向问题
一、化学反应的调控
（1）化学反应的方向
自然固氮
雷电/大气/高能固氮
N2＋O2 2NO
放电或高温
ΔH＝＋180.5 kJ/mol
ΔS＝＋247.7 kJ/mol
工业合成氨
人工固氮
N2＋3H2 2NH3
高温、高压
催化剂
ΔH＝－92.2 kJ/mol
ΔS＝－198.2 kJ/mol
高温下反应能自发进行
ΔH>0
ΔS>0
低温下反应能自发进行
ΔH<0
ΔS<0
一、化学反应的调控
（2）化学反应的限度
N2(g) + O2(g) 2NO(g) 常温 K＝5×10－31
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 常温 K＝5.0×108
合成氨可行
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，都失败了。
合成氨容易吗？
一、化学反应的调控
如何改进上述所遇的问题呢？
2.合成氨可行性
1909年7月建成的实验装置每小时生产90 g氨
二、合成氨的适宜条件
meiyangyang8602
情景假设：假如你是哈伯，你将如何根据合成氨反应的特点继续探索设计合成氨的条件，来提高氨气的产率呢？可以从哪些角度分析？
二、合成氨的适宜条件
1.合成氨反应的特点
合成氨反应：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：反应为可逆反应。
(3)体积变化（熵变）：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。
(4)焓变：ΔH<0，是放热反应。
二、合成氨的适宜条件
2.合成氨的原理分析
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
提高平衡混合物中氨的含量
C(反)增大
升高
增大
加入铁触媒
降低
无影响
C(反)增大或C(生)减小
增大
合成氨反应：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
二、合成氨的适宜条件
3.合成氨反应的数据分析
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)。
若追求速率，怎么选条件？
若追求产率，怎么选条件？
一定条件下，按反应物的化学计量数之比投料，平衡时生成物的百分含量最高
温度/℃ 氨的含量/%
0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa
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 9.1 13.8 23.1 31.4
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。
二、合成氨的适宜条件
4.合成氨反应的结论分析
①升高温度，化学反应速率加快，氨的含量降低。两者矛盾；
②增大压强，化学反应速率加快，氨的含量增大。两者一致。
ΔH＝－92.4 kJ/mol
N2＋3H2 2NH3
高温、高压
催化剂
二、合成氨的适宜条件
5.合成氨工艺的条件选择
①注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性和矛盾性
②注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性，又要注意催化剂活性对温度的要求
③既要注意理论上的要求，还要考虑化工生产中动力、材料和设备条件
（1）化学反应的条件选择原则
那么实际生成中到底选择哪些适宜的条件呢？
二、合成氨的适宜条件
5.合成氨工艺的条件选择
（2）浓度
n(N2):n(H2) ≈ 1:3时，平衡时氨气体积分数最大
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选用条件：增大氮气浓度，n(N2):n(H2) ≈ 1:3时，分离原料气并及时补充循环使用，使反应物保持一定的浓度
二、合成氨的适宜条件
5.合成氨工艺的条件选择
（3）压强
采用控制变量的方法： n(N2):n(H2) ≈ 1:3 400 ℃
③合成氨时不采用更高压强的理由：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，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。
①原理分析：压强越大越好。
②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。
二、合成氨的适宜条件
（4）温度与催化剂
采用控制变量的方法： n(N2):n(H2) ≈ 1:3 10 MPa
①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率
②不采用低温的理由：a.温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的; b.铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。
③选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。
注意：为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
催化剂的失活
失活机理
机械失活
热失活
化学失活
也叫催化剂中毒，是指因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程。
对于合成氨反应中的铁触媒催化剂，O2、CO、CO2和水蒸气都能使其“中毒”。工业上为了防止催化剂中毒，要把反应物净化。
大多数催化剂都有使用温度范围，超过范围就会失活。
是指固体催化剂颗粒抵抗摩擦、冲击等过程中被破坏，使得催化剂活性中心减少、堵塞。
5.合成氨工艺的条件选择
温度：400~500℃
压强：10 MPa~ 30 MPa
催化剂：铁触媒
浓度：N2和H2的投料比为1:3、及时分离氨、原料气循环使用。
(反应速率较快、催化剂活性较大)
(反应速率较快、平衡正向移动)
(反应速率较快，缩短到达平衡时间)
(反应速率较快、提高氢气的转化率)
ΔH＝－92.4 kJ/mol
N2＋3H2 2NH3
高温、高压
催化剂
二、合成氨的适宜条件
6.合成氨的工艺流程
二、合成氨的适宜条件
6.合成氨的工艺流程
哈伯
（1918年）
合成氨的基础开发工
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”
合成氨与三次诺贝尔化学奖
“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
【例1】如图为工业合成氨的流程图。下列说法正确的是 (　 )
A.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率,又可以加快反应速率
B.步骤③中反应温度提高至1000 ℃,反应速率加快且催化剂的活性更高
C.步骤③④⑤均有利于提高原料的平衡转化率
D.步骤⑤采用循环操作,主要是为了提高平衡混合物中氨的含量
A
化工生产中反应调控的一般思路
可行性
分析
分析
调控方法
选取
恰当的反应
实验摸索
原理分析
化学平衡
反应速率
确定最佳条件
考虑参加反应的物质 、 和
等本身因素
组成
结构
性质
尽量增大______，充分利用原料
选择较快的________
转化率
反应速率
设备条件
安全操作
经济成本
环境保护
社会效益
【例2】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
（2）在实际生产中，选定的温度为400~500℃，原因是_____________________
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。
（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___________
低温、高压
（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_________________________
【例2】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
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。
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。
减少对环境的污染。
（3）在实际生产中，采用的压强为常压，原因是__________
合成氨常用的生产条件
浓度：
原料气：压强:
温度：
催化剂：
合成氨工业流程
使用铁触媒
400~500 ℃
10 MPa~30 MPa
循环使用
将氨液化及时分离
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
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
A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧
C．②⑤ D．②③⑤⑧
C
2．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是（ ）
A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大
B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大
C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大
D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大
B
3．对于反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)，下列有关说法不正确的是
A．使用催化剂能缩短该反应到达平衡的时间
B．升高温度有利于提高SO2的平衡转化率
C．提高 的值可增大SO2的转化率
D．增大体系的压强能提高SO2的反应速率和转化率
B
4.下列关于工业合成氨的叙述正确的是(　　)
A．合成氨工业温度选择为700 K左右，只要是为了提高NH3产率
B．使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响
C．合成氨生产过程中将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率
D．合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度
C
新人教版 化学 选必1
第二章 化学反应速率
与化学平衡

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