单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二单元 化学反应速率与化学平衡,第四节 化学反应的调控,学习目标,1.,通过工业合成氨适宜条件的选择和优化，了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。,2.,了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异，体会化学反应原理的应用价值。,新课导入,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。,这些是生活中对化学反应的调控，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。,任务一,合成氨,反应,条件与原理分析,N,2,(g,),3H,2,(g),2NH,3,(g,),H,92.2kJmol,-1,S,198.2JK,-1,mol,-1,请根据在,298K,时合成氨反应,的焓变和熵变分析：,G=,H,TS=,33.14 kJmol,1,0,，可以,正向,自发进行。,常温下,合成氨不容易,进行,，难在哪儿？如果是你，你会怎样分析？,【,思考与讨论,】,1.,在,298K,时合成氨反应能否正向,自发进行？,2.,常温下合成氨很容易进行吗？,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,1.,反应原理和特点,任务一,合成氨,反应,条件与原理分析,合成氨反应：,N,2,(g),3H,2,(g),2NH,3,(g),。,已知,298 K,时：,H,92.4 kJmol,1,，,S,198.2 Jmol,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),焓变：,H,0,，熵变：,S,0,。,(4),自发性：常温,(298 K),下，,H,TS,0,，能自发进行。,2.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,N,2,(g)+3H,2,(g),2NH,3,(g)H,0,任务一,合成氨,反应,条件与原理分析,增大反应物浓度,增大反应物浓度或减小生成物浓度,升高温度,降低温度,增大压强,增大压强,使用催化剂,无影响,任务一,合成氨,反应,条件与原理分析,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),。,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，,NH,3,%,越大。,温度越低，,NH,3,%,越大,。,实验数据表明应采取的措施与理论一致。,4.,结论分析,N,2,(g)+3H,2,(g),2NH,3,(g)H,0,任务一,合成氨,反应,条件与原理分析,升高温度，氨的含量,降低，化学反应速率加快,。,两者,矛盾,；,增大压强，氨的含量,增大，化学反应速率加快,。,两者,一致,。,那么实际生成中到底选择哪些适宜的条件呢？,【,原理分析,】,压强越大越好,【,实际选用,】,目前，我国合成氨厂一般采用的压强为,10,30,MPa,。,【,理由,】,1.,压强,任务二,工业,合成氨的适宜条件,压强越大，,速率、转化率,都大，,但,对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力越大，这将会大大增加生产投资，降低综合经济效益。,【,原理分析,】,低温,能提高平衡转化率，但速率慢，到达平衡时间长，经济效益差；,高温,温能提高速率，但转化率小，且催化剂在,500,时活性,最大。,【,实际选用,】,2.,温度,目前，实际生产一般采用的温度为,400500,。,任务二,工业,合成氨的适宜条件,任务二,工业,合成氨的适宜条件,【,原理分析,】,加催化剂,可改变反应历程,，,加快反应速率,【,实际选用,】,目前，,普遍使用以铁为主体成分的催化剂，即,铁触媒，,500,左右时活性最大,。,3.,催化剂,为了防止混有的杂质使,催化剂“中毒”,，原料气必须经过,净化,。,任务二,工业,合成氨的适宜条件,在温度与压强的最佳条件下，平衡混合物中氨的含量仍不高，怎么办？,温度,/,氨的含量,/%,0.1 MPa,10 MPa,20 MPa,30 MPa,60 MPa,100 MPa,200,15.3,81.5,86.4,89.9,95.4,98.8,300,2.20,52.0,64.2,71.0,84.2,92.6,400,0.40,25.1,38.2,47.0,65.2,79.8,500,0.10,10.6,19.1,26.4,42.2,57.5,600,0.05,4.50,9.10,13.8,23.1,31.4,任务二,工业,合成氨的适宜条件,4.,浓度,图：,NH,3,的平衡体积分数随投料比变化的曲线,从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为,1,：,3,时，平衡,转化率最大,，但,是实验测得适当,提高,N,2,的浓度，即,N,2,和,H,2,的物质的量比为,1,：,2.8,时，更能促进氨的合成。,不断,地补充反应物或者及时的分离生成物有利于工业生产,a.,迅速冷却氨气成液态并及时分离,b.,将氨分离后的原料气循环使用，并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度。,外部条件,工业合成氨的适宜条件,压强,根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(1030 MPa),温度,适宜温度，400500,催化剂,使用铁触媒做催化剂,浓度,N,2,和H,2,的物质的量之比为12.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去,，,原料气循环使用,任务二,工业,合成氨的适宜条件,N,2,+H,2,干燥,净化,防止催化剂中毒,N,2,+H,2,压缩机加压,10MPa,30MPa,N,2,+H,2,热交换,N,2,+H,2,铁触媒,400,500,N,2,+H,2,+NH,3,冷却,液态,NH,3,N,2,+H,2,+NH,3,N,2,+H,2,增大压强,促使化学平衡向生成氨气的方向移动,原料气循环利用，,提高原料利用率,合成氨的生产流程,、,、,【练习】,1.正误判断,(1),工业合成氨的反应是,H,0,、,S,0,的反应，在任何温度下都可自发进行,(2),在合成氨的实际生产中，温度越低，压强越大越好,(3),在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率,(4),催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应,(5),增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨的产率,(6),合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的,2.,下列有关合成氨工业的说法正确的是（,）,A.N,2,的量越多，,H,2,的转化率越大，因此，充入的,N,2,越多越,有利于,NH,3,的,合成,B.,恒容条件下充入稀有气体有利于,NH,3,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,D,【练习】,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,【练习】,可行性,分析,分析,调控方法,实验摸索,设备要求、,安全操作,经济成本,确定最佳条件,选取恰当的反应,考虑参加反应,的,物质,、,和,等本身因素,原理分析：,化学平衡,反应速率,尽量增大,_,，,充分利用原料,选择较快的,_,组成,结构,性质,转化率,反应速率,任务三,化工生产中调控反应的一般思路,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,在硫酸工业中，通过下列反应使,SO,2,氧化成,SO,3,：,2SO,2,(g),O,2,(g,),2SO,3,(g,),H,196.6 kJmol,1,。,(,已知：催化剂是,V,2,O,5,，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,SO,2,的转化率。,温度,/,平衡时,SO,2,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,深度思考,(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,_,。,温度,/,平衡时,SO,2,的转化率,/%,0.1 MPa,0.5 MPa,1 MPa,5 MPa,10 MPa,450,97.5,98.9,99.2,99.6,99.7,550,85.6,92.9,94.9,97.7,98.3,450,、,10 MPa,深度思考,(2),在实际生产中，选定的温度为,400,500,，原因是,_,_,。,温度,/,平衡时,SO,2,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,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，SO,2,的转化率会降低,深度思考,(3),在实际生产中，采用的压强为常压，原因是,_,_,。,温度,/,平衡时,SO,2,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,在常压下SO,2,的转化率,就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡向右移动，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,深度思考,(4),在实际生产中，通入过量的空气，原因是,_,_,。,温度,/,平衡时,SO,2,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,增大反应物,O,2,的,浓,度，,有利于,提高,SO,2,的转化率,深度思考,(5),尾气中,SO,2,必须回收，原因是,_,_,。,温度,/,平衡时,SO,2,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,料的利用率(合理即可),防止污染环境；循环利用，提高,原,深度思考,