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(共40张PPT)
第四节　化学反应的调控
素养·目标定位
目 标 素 养
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.能针对合成氨的典型案例,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
知 识 概 览
课前·基础认知
一、合成氨反应的理论分析
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)可逆性:反应为可逆反应。
(2)体积变化:正反应是气体体积减小的反应。
(3)焓变:ΔH < 0,熵变ΔS < 0。
(4)自发性:常温(298 K)下,ΔH-TΔS < 0,能自发进行。
2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较。
条件 提高反应速率 提高平衡转化率
压强 高压 高压
温度 高温 低温
催化剂 使用 无影响
浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度,降低生成物浓度
3.在一定温度和压强下,反应物N2和H2的物质的量之比为1∶3时平衡混合气中氨的含量最高。为提高原料的利用率,可将未转化的N2和H2分离后循环使用。
微判断1(1)合成氨反应的正反应放热,降低温度有利于反应正向进行,所以温度越低越好。(　　)
(2)合成氨反应中使用催化剂可增大反应速率,提高单位时间内氨的产率。(　　)
(3)采取最合适的生产条件,可使合成氨反应中原料的转化率达到100%。(　　)
(4)合成氨工业将分离氨后的原料气循环使用可提高原料的利用率。(　　)
×
√
×
√
二、工业合成氨的适宜条件的选择
1.选择原则。
(1)尽量增大反应物的转化率,充分利用原料;
(2)选择较大的化学反应速率,提高单位时间内的产量;
(3)考虑设备的要求和技术条件。
2.工业合成氨反应的适宜条件。
(1)压强。
①适宜条件:10 MPa~30 MPa。
②理论依据:压强越大,需要的动力越大,对材料的强度和设备的制造要求就越高,这会大大增加生产投资,降低综合经济效益。
(2)温度。
①适宜条件:400~500 ℃。
②理论依据:该温度下催化剂的活性最大,反应速率比较大,氨的含量也相对较高。
(3)催化剂。
适宜条件:以铁为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。
(4)浓度。
①适宜条件:采用迅速冷却的方法,使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去;原料气循环使用,及时补充N2和H2。
②理论依据:减小生成物浓度,提高反应物的转化率。
三、化学反应的调控
影响化学反应进行的因素主要有两个方面,一是参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素,二是温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。化学反应的调控,就是通过改变
反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行,综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素。
微判断2(1)在合成氨中,为增加H2的转化率,充入的N2越多越好。(　　)
(2)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应,在任何温度下都可自发进行。(　　)
(3)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去,可提高原料的利用率。(　　)
(4)在工业生产条件优化时,只考虑经济性就行,不用考虑环保。
(　　)
(5)合成氨反应选择在400~500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大。(　　)
×
×
√
×
√
微训练某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g) M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　)。
A.工业上合成M时,一定采用高压条件,因为高压有利于M的生成
B.若物质B廉价易得,工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率
C.工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高,反应物的转化率越高
D.工业生产中常采用催化剂,因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
D
解析:加入过量B只能提高A的转化率,B的转化率降低。温度升高,平衡逆向移动,反应物的转化率降低。使用催化剂可降低反应的活化能,提高反应速率。
课堂·重难突破
工业生产中选择适宜生产条件的思路
问题探究
发现氨之后,人们一直在研究如何利用化学方法由氮气与氢气合成氨,但直到一百多年之后才实现了合成氨的工业化生产,经过研究人员的努力,现已经建造了日产氨1 000吨的大型装置。
1.工业生产中增大压强既可增大化学反应速率,又可提高氨的产量,那么在合成氨工业中压强是否越大越好 为什么
提示:否。温度一定时,增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利,但是,压强越大,对材料的强度和设备的制造要求越高,需要的动力也越大。目前,我国的合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa。
2.降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动,那么生产中是否温度越低越好 为什么
提示:否。从平衡的角度考虑,低温有利于合成氨,但是温度过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,所以在实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃(在此温度时催化剂的活性最大)。
3.催化剂对化学平衡的移动没有影响,为什么还要在合成氨工业中使用催化剂呢 使用的催化剂一般是什么
提示:为了增大化学反应速率。工业合成氨普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。
归纳总结
1.分析化学反应的特点:从可逆性、反应前后气体体积的变化、焓变三个角度分析。
2.根据反应特点具体分析外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响。
3.从化学反应速率和化学平衡的角度进行综合分析,再充分考虑实际情况,选出适宜的外界条件。
外界条件 有利于增大反应速率的措施 有利于平衡正向移动的措施 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 不断补充反应物、及时分离出生成物
压强 增大压强(有气体参加) 反应后气体体积减小 增大压强 设备条件允许的前提下,尽量采取高压
反应后气体体积增大 减小压强 兼顾速率和平衡、选取适宜的压强
外界条件 有利于增大反应速率的措施 有利于平衡正向移动的措施 综合分析结果
温度 升高温度 ΔH<0 降低
温度 兼顾速率和平衡、考虑催化剂的适宜温度
ΔH>0 升高
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适宜温度
催化剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂,考虑催化剂活性与温度关系
典型例题
【例1】 下列关于工业合成氨的叙述中,错误的是(　　)。
A.在动力、设备、材料允许的情况下,反应尽可能在高压下进行
B.温度越高越有利于工业合成氨
C.在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率,降低成本
D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动
B
解析:合成氨的反应为放热反应,温度越高,NH3的产率越低,且温度太高会影响催化剂的催化效果。
【拓展延伸】 合成氨反应达到平衡后,加入N2,当反应重新达到平衡时,NH3的浓度比原平衡的大,N2的浓度比原平衡的小,对吗
答案:不对。加入N2,平衡正向移动,反应重新达到平衡后,NH3的浓度比原平衡的大,N2的浓度也比原平衡的大。
【例2】在硫酸工业中,通过下列反应将SO2氧化成SO3: 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH=-196.6 kJ·mol-1。(已知:催化剂是V2O5,在400~500 ℃时催化剂效果最好)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/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(1)从理论上分析,为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫,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
_____________________________________________________________________________________________________
　。
450 ℃、10 MPa
在此温度下,催化剂活性最高。温度较低,会使反应速率减小,达到平衡所需时间变长;温度较高,SO2转化率会降低
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对设备的要求而增大生产成本
(4)在实际生产中,通入过量的空气,原因是
　。
(5)尾气中SO2必须回收,原因是
　。
防止污染环境;循环利用,提高原料的利用率
增大反应物O2的浓度,有利于提高SO2的转化率
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
成果验收站　
1.下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　)。
A.铁作催化剂可增大反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
B.升高温度可以增大反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
C.增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间
D.合成氨采用的压强是1×107~3×107 Pa,因为该压强下铁触媒的活性最高
C
解析:催化剂可以改变反应速率,但不能使平衡移动,只能缩短反应达到平衡所需的时间,A项错误。升高温度可以增大反应速率,但合成氨反应是放热反应,因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动,B项错误。增大压强,反应速率增大,可以缩短到达平衡状态所用的时间,C项正确。催化剂的活性取决于温度的高低,而非压强的大小,D项错误。
2.纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)　ΔH<0。下列说法正确的是(　　)。
A.纳米技术的应用,优化了催化剂的性能,提高了反应的转化率
B.减小容器容积,平衡向正反应方向移动,CO的浓度增大
C.从平衡体系中分离出H2O(g)能增大正反应速率
D.工业生产中采用高温条件下进行,其目的是提高CO的平衡转化率
B
解析:纳米技术优化了催化剂的性能,提高了反应速率,但不能使平衡发生移动,因此物质的转化率不变,A项错误。正反应是气体体积减小的反应,减小容器的容积,导致体系的压强增大,化学平衡向正反应方向移动,但平衡移动的趋势是减弱改变,所以减小容器的容积CO的浓度增大,B项正确。从平衡体系中分离出H2O(g),正反应速率瞬间不变,再逐渐减小,C项错误。该反应的正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,反应物转化率会降低,工业生产中采用高温条件下进行,其目的是在高温下化学反应速率较大,可提高生产效率,D项错误。
3.某化工厂生产硝酸的流程如图1所示;其他条件相同时,装置③中催化剂铂网的成分、温度与氧化率的关系如图2所示。
图1
图2
下列说法错误的是(　　)。
A.该流程中,装置①③④中发生了氧化还原反应
B.装置②中利用氨易液化的性质实现反应物和生成物的分离
C.装置③中最佳反应条件是铂网成分为纯铂、温度为900 ℃
D.装置④中通入过量空气可以提高硝酸的产率
C
解析:该流程中,装置①③④中发生了氧化还原反应,A项正确。装置②中利用氨易液化的性质实现反应物和生成物的分离,B项正确。装置③中最佳反应条件是铂网成分为含10%铑的铂、温度为900 ℃,C项错误。装置④中通入过量空气可以提高硝酸的产率,D项正确。
4.煤的液化可获得乙醇:2CO(g)+4H2(g) C2H5OH(l)+ H2O(l)　ΔH=-1 709.2 kJ·mol-1。下列说法正确的是(　　)。
A.反应物的总能量小于生成物的总能量
B.升高温度可增大活化分子的数目及有效碰撞频率,因而温度越高越利于获得乙醇
C.使用合适的催化剂、增大压强均有利于提高原料的平衡转化率
D.在绝热密闭容器中进行时,容器中温度不再改变则说明已达平衡状态
D
解析:正反应为放热反应,反应物总能量大于生成物总能量,A项错误。正反应为放热反应,则升高温度,平衡逆向移动,不利于获得乙醇,B项错误。催化剂不能使平衡移动,不能提高原料的转化率,C项错误。在绝热密闭容器中进行时,容器中温度不变,说明正、逆反应速率相等,达到平衡状态,D项正确。
5.合成氨工业的原料气中含有少量CO,CO会使催化剂失去催化能力(催化剂中毒),因此,在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO,其反应为Cu(NH3)2Ac+CO+NH3 [Cu(NH3)3CO]Ac(正反应为放热反应)。
(1)醋酸二氨合铜吸收CO的适宜生产条件是　　　　　　　　　　　　　　。
(2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用,醋酸铜氨溶液再生的适宜生产条件是　　　　　　。
低温、高压
高温、低压
解析:(1)醋酸二氨合铜吸收CO反应为气体分子数减小的放热反应,降低温度或增大压强平衡向吸收CO的方向移动,故应采用低温、高压作为生产条件。(2)放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反,应采用高温、低压作为生产条件。

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