2.4.1化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控 課件 高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1

第二章化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控人教版

高二化學(xué)選擇性必修一目錄合成氨反應(yīng)的原理分析1合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析2合成氨反應(yīng)的條件控制3化學(xué)反應(yīng)調(diào)控的一般思路4

合成氨—人類“食”之基

合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以氨為原料的，含氮復(fù)合肥的使用極大的提高了糧食的產(chǎn)量。世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到1億噸以上，其中約有80%的氨用來(lái)生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。

合成氨—人類“食”之基實(shí)驗(yàn)室階段(約1908年)哈伯法的發(fā)現(xiàn)：在600℃、20MPa，在鋨催化劑作用下，氨的產(chǎn)率只有6%—8%，能夠?qū)崿F(xiàn)氮?dú)夂蜌錃獾暮铣伞ｋm然這一時(shí)期的產(chǎn)率較低，但這是合成氨工業(yè)化的基礎(chǔ)。假如你是一名工程師，如何設(shè)計(jì)合成氨的條件，才能使產(chǎn)率更高，反應(yīng)更快？

1、合成氨反應(yīng)的原理分析N2(g)＋3H2(g)

?

2NH3(g)(1)反應(yīng)原理：ΔH＝－92.4kJ·mol－1ΔS＝－198.2J/(mol·K)(2)反應(yīng)特點(diǎn)：焓變：ΔH<0,熵變:ΔS>0

可逆性：反應(yīng)為

。

體積變化：正反應(yīng)是氣體體積

的反應(yīng)。

自發(fā)性：常溫下(填“能”或“不能”)自發(fā)進(jìn)行

可逆反應(yīng)減小能

1、合成氨反應(yīng)的原理分析(3)原理分析：根據(jù)合成氨反應(yīng)特點(diǎn)，如何通過(guò)選擇反應(yīng)條件加快反應(yīng)速率和提高平衡混合物中氨的含量N2(g)＋3H2(g)

?

2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1濃度溫度壓強(qiáng)催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)的影響增大合成氨的反應(yīng)速率提高平衡混合物中氨的含量增大升溫增大正催化劑移走氨降溫增大不影響增大C反應(yīng)物

1、合成氨反應(yīng)的原理分析N2(g)＋3H2(g)

?

2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1濃度溫度壓強(qiáng)催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)的影響增大合成氨的反應(yīng)速率提高平衡混合物中氨的含量增大升溫增大正催化劑移走氨降溫增大不影響增大C反應(yīng)物所應(yīng)采取的措施是否一致，在實(shí)際生產(chǎn)中到底該如何選擇適宜的條件呢?2、合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析溫度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.4下表的實(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的變化情況(初始時(shí)氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比是1：3)?？紤]速率怎么選？考慮產(chǎn)率怎么選？實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)還需要考慮什么？成本

2、合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析(1)壓強(qiáng)的選擇：【原理分析】壓強(qiáng)越大越好【實(shí)際采用】目前，我國(guó)合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)為

MPa。10～30【理由】壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備要求越高，增加成本，降低綜合經(jīng)濟(jì)效益

2、合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析(2)溫度的選擇：【原理分析】溫度越低轉(zhuǎn)化率越高【實(shí)際采用】反應(yīng)速率越慢

目前，實(shí)際生產(chǎn)一般采用的溫度為

℃。400～500

2、合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析(3)催化劑的選擇：【原理分析】加催化劑可改變反應(yīng)歷程，加快反應(yīng)速率【實(shí)際采用】目前，普遍使用以鐵為主體成分的催化劑，即

。鐵觸媒

500℃時(shí)活性最大

2、合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析溫度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.4思考：在溫度與壓強(qiáng)的最佳條件下，平衡混合物中氨的含量仍不高，怎么辦？

2、合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析(4)濃度的選擇：圖2：NH3的平衡體積分?jǐn)?shù)隨投料比變化的曲線n(N2):n(H2)=1:3【原理分析】及時(shí)移走產(chǎn)物氨【實(shí)際采用】及時(shí)移走產(chǎn)物原料氣循環(huán)利用增大反應(yīng)物濃度n(N2):n(H2)

≈1:2.8最優(yōu)投料比：

3、合成氨反應(yīng)的條件控制及時(shí)移走氨氣原料氣循環(huán)利用

3、合成氨反應(yīng)的條件控制壓強(qiáng)溫度催化劑濃度工業(yè)合成氨的適宜條件10～30MPa400～500℃

鐵觸媒循環(huán)使用原料氣、及時(shí)移走產(chǎn)物氨、投料比為1∶2.8

3、合成氨反應(yīng)的條件控制合成氨技術(shù)最新研究進(jìn)展201920202021202220232024電化學(xué)合成氨：丹麥科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)刷新了電化學(xué)合成氨的穩(wěn)定性紀(jì)錄，產(chǎn)氨的選擇性保持在64±1%。常溫常壓電催化合成氨：中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，研究了異質(zhì)雙金屬磷化物催化劑界面構(gòu)筑對(duì)電催化硝酸根還原合成氨反應(yīng)性能的調(diào)控規(guī)律。電化學(xué)合成氨效率突破：蘭州交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在電化學(xué)合成氨的效率突破了60%，這意味著更高的產(chǎn)率和更有效的能量利用。鋰介導(dǎo)合成氨：通過(guò)使用鋰介導(dǎo)的方法可以在較為溫和的條件下實(shí)現(xiàn)氨的合成，這比傳統(tǒng)的哈伯-博施過(guò)程所需的高溫高壓條件更加節(jié)能且環(huán)保。綠色合成氨技術(shù)：電催化氮還原（NRR）合成氨技術(shù)因其零碳排放特性而具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，N2在電解質(zhì)溶液中的溶解度較低，這仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，限制了電催化合成氨的工業(yè)化應(yīng)用。新型催化劑的創(chuàng)新：研究人員繼續(xù)開(kāi)發(fā)新型催化劑，這些催化劑能夠在較低的溫度和壓力下工作，從而提高產(chǎn)率并減少能耗。例如，異質(zhì)雙金屬磷化物催化劑被認(rèn)為是一個(gè)有潛力的方向。每一步探索都引領(lǐng)著未來(lái)4、化學(xué)反應(yīng)調(diào)控的一般思路☆化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控：指通過(guò)改變反應(yīng)條件使一個(gè)可能發(fā)生的反應(yīng)按照某一方向進(jìn)行。明確目的

確定反應(yīng)原理分析實(shí)驗(yàn)摸索化學(xué)平衡反應(yīng)速率設(shè)備要求安全操作化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路可行性找條件經(jīng)濟(jì)成本思想理念綠色化學(xué)可持續(xù)發(fā)展

課堂練習(xí)1.合成氨問(wèn)題關(guān)乎世界化工發(fā)展和糧食安全問(wèn)題。下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述不正確的是(

)A.高壓條件比常壓條件更有利于合成氨的反應(yīng)B.合成氨時(shí)采用循環(huán)操作，可以提高原料利用率C.工業(yè)生產(chǎn)采用500℃而不采用常溫,是為了提高合成氨的轉(zhuǎn)化率D.鐵觸媒的使用有利于提高合成氨的生產(chǎn)效率

C

課堂練習(xí)2.工業(yè)上用氮?dú)夂蜌錃夂铣砂?N2+3H2

2NH?△H<0,從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩方面看，合成氨的適宜條件一般為壓強(qiáng):10MPa~30MPa，溫度:700K左右，催化劑:鐵觸媒。下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述不正確的是(

)A.使用鐵觸媒,可使氮?dú)夂蜌錃庵g的反應(yīng)在較低溫度下取得較大的反應(yīng)速率B.工業(yè)上選擇上述條件合成氨，可以使氮?dú)馊哭D(zhuǎn)化為氨C.上述化學(xué)平衡的移動(dòng)受到溫度、反應(yīng)物的濃度、壓強(qiáng)等因素的影響D.溫度升高，不利于與提高氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率B高溫、高壓催化劑

課堂練習(xí)3.下列關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控措施說(shuō)法不正確的是（ ) A.硫酸工業(yè)中,為提高SO2的轉(zhuǎn)化率,通入過(guò)量的空氣B.工業(yè)上增加煉鐵高爐的高度可以有效降低尾氣中CO的含量C.合成氨工業(yè)中，從生產(chǎn)實(shí)際條件考慮，不能盲目增大反應(yīng)壓強(qiáng)D.以CO和H2為原料合成甲醇，可適當(dāng)增大壓強(qiáng)，提高生成物的產(chǎn)率

B

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