《2.4 第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控》參考課件

第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控第二章化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要意義，能討論化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化。2.能從限度、速率等角度對(duì)化學(xué)反應(yīng)和化工生產(chǎn)條件進(jìn)行綜合分析。我們對(duì)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控并不陌生。例如，為了滅火，可以采取隔離可燃物、隔絕空氣或降低溫度等措施；為了延長(zhǎng)食物儲(chǔ)存時(shí)間，可以將它們保存在冰箱中。工業(yè)合成氨是人類科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，其反應(yīng)如下：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時(shí)：ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1，

K＝5.0×108。ΔH＝－92.4kJ·mol－1自發(fā)性：常溫(298K)下，ΔG=ΔH－TΔS=-192.4+298×0.192=-33.3<0，能自發(fā)進(jìn)行。縮放、熵減反應(yīng)進(jìn)行程度較大德國(guó)化學(xué)家哈伯向合成氨發(fā)起沖擊。1908年7月，他在實(shí)驗(yàn)室用氮?dú)夂蜌錃庠?00℃、20MPa下得到了氨，但是產(chǎn)率只有2%。哈伯合成氨所用裝置產(chǎn)率：某種生成物的實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值。產(chǎn)率＝實(shí)際產(chǎn)量理論產(chǎn)量根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量？對(duì)合成氨反應(yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強(qiáng)催化劑提高平衡時(shí)氨的含量(產(chǎn)率)增大合成氨的速率(效率)

(1)原理分析：n(N2):n(H2)≈1:3及時(shí)移走產(chǎn)生的氨越低越好越大越好N2(g)+3H2(g)2NH3(g)?H＝－92.4kJ/mol越大越好越高越好越大越好無(wú)影響加快反應(yīng)速率

(2)數(shù)據(jù)分析下表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在不同溫度、壓強(qiáng)下，平衡混合物中氨的含量變化情況（初始時(shí)氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比是1:3）。分析表中數(shù)據(jù)，結(jié)合成成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，討論應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量。溫度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.1013.823.131.4壓強(qiáng)越大，NH3%越大。溫度越低，NH3%越大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明應(yīng)采取的措施與理論一致。

升高溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)物濃度及使用催化劑等，都可以使合成氨的反應(yīng)速率增大；降低溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)物濃度等有利于提高平衡混合物中氨的含量。催化劑可以增大反應(yīng)速率，但不改變平衡混合物的組成。那么，在實(shí)際生產(chǎn)中到底選擇哪些適宜的條件呢？1.壓強(qiáng)

原理分析和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析均表明，合成氨時(shí)壓強(qiáng)越大越好。但是，壓強(qiáng)越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，需要的動(dòng)力也越大，這將會(huì)大大增加生產(chǎn)投資，并可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國(guó)的合成氨工廠一般采用的壓強(qiáng)為10MPa~30MPa。

2.溫度

根據(jù)平衡移動(dòng)原理，合成氨應(yīng)該采用低溫以提高平衡轉(zhuǎn)化率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也說(shuō)明了這一點(diǎn)。但是，溫度降低會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速率減小，達(dá)到平衡的需時(shí)間變長(zhǎng)，這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)濟(jì)的。因此，需要選擇一個(gè)適宜的溫度。目前，在實(shí)際生產(chǎn)中一般采用的溫度為400～500℃

3.催化劑

即使在高溫、高壓下，N2和H2的化合反應(yīng)仍然進(jìn)行得十分緩慢。通常采用加放入催化劑的方法，改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)物在較低溫度時(shí)能較快地發(fā)生反應(yīng)。目前，合成氨工業(yè)中普遍使用的是以鐵為主的多成分催化劑，又稱鐵觸媒。鐵觸媒在500℃左右時(shí)的活性最大，這也是合成氨一般選擇400～500℃進(jìn)行的重要原因。另外，為了防止混有雜質(zhì)使催化劑“中毒”，原料必須經(jīng)過(guò)凈化。

4.濃度

由表2－2可以看出，即使在500℃和30MPa時(shí)，合氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只為26.4%，即平衡時(shí)N2和H2的轉(zhuǎn)化率不夠高。

工業(yè)上采取迅速冷卻的方法，使氣態(tài)氨液化及時(shí)從平衡混合中分離出去，減小生成物濃度，平衡向正向移動(dòng)，提高氨的產(chǎn)率。此外，為提高經(jīng)濟(jì)效益，分離液氨的N2和H2進(jìn)行循環(huán)利用。合成氨常用的生產(chǎn)條件壓強(qiáng):溫度：催化劑：濃度：原料氣：合成氨工業(yè)流程小結(jié)一：使用鐵觸媒400~500℃10MPa~30MPa循環(huán)使用將氨液化及時(shí)分離小結(jié)二：化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控化學(xué)平衡反應(yīng)速率溫度壓強(qiáng)催化劑溫度壓強(qiáng)移走生成物社會(huì)因素設(shè)備條件安全操作經(jīng)濟(jì)成本環(huán)境保護(hù)社會(huì)效益使反應(yīng)盡可能向著期望方向移動(dòng)使反應(yīng)在可控的情況下盡可能快提高單位時(shí)間的產(chǎn)率提高反應(yīng)物平衡轉(zhuǎn)化率化學(xué)反應(yīng)調(diào)控選擇條件時(shí)，既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求反應(yīng)速率，而應(yīng)該尋找以較高的反應(yīng)速率獲得適當(dāng)平衡轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。哈伯(德)（1918年）申請(qǐng)循環(huán)法合成氨專利合成氨與三次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)博施(德)（1931年）實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化埃特爾(德)（2007年）揭開了合成氨的“機(jī)理”“合成氨”里的中國(guó)人：2016年中科院大連化學(xué)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)研制合成了一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強(qiáng)分別降到了350℃、1MPa。弗蘭克(德)（1898年）氮?dú)?、碳化鈣、水蒸氣制氨哈伯－博施合成法埃特爾合成氨催化劑表面化學(xué)過(guò)程模型合成氨機(jī)理圖①②③④⑤⑥①②⑥③④⑤①N2

(g)+H2

(g)=N2

(吸)+H2(吸)②N2

(吸)+H2(吸)=N(吸)+3H(吸)③N(吸)+3H(吸)=NH(吸)+2H(吸)④NH(吸)+2H(吸)=NH2(吸)+H(吸)⑤NH2

(吸)+H(吸)=NH3(吸)⑥NH3

(吸)=NH3(g)（決速步驟，活化能最大）（吸附）（解吸）N2

(g)+H2

(g)=NH3(g)?=-46kJ/mol總反應(yīng)：學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)：1．在合成氨時(shí)，要使氨的產(chǎn)率增大，又要使化學(xué)反應(yīng)速率增大，可以采取的措施有（

）①增大體積使壓強(qiáng)減小

②減小體積使壓強(qiáng)增大③升高溫度

④降低溫度⑤恒溫恒容，再充入N2和H2

⑥恒溫恒壓，再充入N2和H2

⑦及時(shí)分離產(chǎn)生的NH3

⑧使用催化劑A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧C．②⑤ D．②③⑤⑧C2．下列事實(shí)能用勒夏特列原理解釋的是（）A．使用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨B．由H2(g)、I2(g)和HI(g)組成的平衡體系加壓后顏色變深C．5