2-4 化学反应的调控(教学课件)--高中化学人教版(2019)选择性必修1.pptxVIP

化学反应的调控

人教版化学选择性必修1第二章第四节

合成氨的提出

氮短缺事关人类的存亡，某一天将会有一位化学家寻找出一种方法，将成对的氮原子间三键打破，制出一种能为植物吸收的氮的化合物。

——威廉·克鲁克斯

先合成氨，再进一步将之转化为铵盐或者硝酸盐，变成了土壤可吸收的形式。最好的原料是空气，因为它其中富含氮元素。

卡尔博施

合成氨很难!

合成氨存在的问题

化学反应速率

调控外界条件：

温度、浓度、压强、催化剂

化学反应的调控

化学平衡

N₂(g)+3H₂(g)—2NH₃(g)△H=-92.4kJ·mol-1

1903年：哈伯发现在常温的条件下，氮、氢难以生成氨，在

高温的条件下，氨太易于分解。在1000摄氏度时，合成氨只

占到混合气体的0.01,根本没有意义。

升高温度对反应有什么影响?

哈伯法合成氨

温度

N₂(g)+3H₂(g)—2NH₃(g)△H=—92.4kJ·mol-1

▶反应速率速率加快升高温度

需▶化学平衡平衡逆向移动

合成氨反应的平衡常数随温度的变化

温度

25℃

350℃

400℃

450℃

600℃

700℃

平衡常数

5×10⁸

1.847

0.507

0.152

0.009

2.6×10-3

温度不宜过高也不宜过低

温度

实际预测：

1908年：

哈伯成功地设计出一套精密的高压装置。罗塞格尔和他实验室的机械师们一起创造了新的阀门，将哈伯的设计变成了现实。

增大压强对反应有什么影响?

出水口

干燥室

压缩N₂和H₂进口

反应器

进水口

哈伯法合成氨

冷却室

未反应气体通过循环泵返回

液态NH₃出口

压强

N₂(g)+3H₂(g)—2NH₃(g)△H=—92.4kJ·mol-1

理论分析：实际预测：

化学反应速率

速率加快

化学平衡

平衡正向移动

增大压强

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，

这会加大生产投资，可能降低综合经济效益。

压强不宜过高也不宜过低

压强

催化剂

N₂(g)+3H₂(g)=2NH₃(g)△H=—92.4

kJ·mol-1

合成氨仍然存在的问题?

化学反应速率

显著改变反应速率

化学平衡

平衡不移动

加入催化剂

催化剂

铁效果不够理想

锇效果好，但储量极少

铀铀价格昂贵，性质过于敏感

含铅镁的铁效果好，原料易得，性质稳定

催化剂

N₂(g)+3H₂(g)—2NH₃(g)△H=—92.4kJ·mol-1

2007年Ertl1证实了N₂与H₂在催化剂表面合成氨的反应历程如图所示。

扩散→吸附→表面反应→脱附→扩散。

合成氨的研究历程

“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℃、1MPa。

合成氨的研究历程

温度不宜过高也不宜过低

压强不宜过高也不宜过低

加入含铅镁的铁做催化剂

反应500℃左右

速率

转化率→降低温度

温度

催化剂

温度

义已知：合成氨的催化剂在500℃左右时活性最大

数据分析

数据分析

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

义19.1

26.4

42.2

57.5

600

0.05

4.50

9.10

13.8

23.1

31.4

不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量(体积分数)

数据分析

浓度

N₂(g)+3H₂(g)—2NH₃(g)△H=—92.4kJ·mol-1

增大反应物浓度

降低生成物浓度

平衡正向移动

及时补充N2和H₂

将氨气及时从气态混合物中分离出去

增大反应物浓度

降低生成物的浓度

原料气循

环利用

还有什么办法可以提高氨的产率?

原料气循环通过合成塔

浓度

浓度

·铁触媒催化剂

·400～500℃

·10MPa～30MPa

·原料气循环利用及时分离出氨气

义

液态NH₃NH₃+N₂+H₂

N₂+H₂

铁触媒400~500℃

合成氨常用的生产条件

压缩机

加压

10~30MPa

热交换N₂+H₂NwWWwWw

干燥N₂+H₂净化

冷却

N₂+H₂

N₂+H₂

解决实际问题-

在硫酸工业中，通过下列反应使S