第四節(jié)化學反應的調控第二章化學反應速率和化學平衡學習目標：1.認識化學反應速率和化學平衡的綜合調控在生產、生活和科學研究中的重要意義，能討論化學反應條件的選擇和優(yōu)化。2.能從限度、速率等角度對化學反應和化工生產條件進行綜合分析。我們對化學反應的調控并不陌生。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；為了延長食物儲存時間，可以將它們保存在冰箱中。工業(yè)合成氨是人類科學技術的一項重大突破，其反應如下：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時：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)進行?？s放、熵減反應進行程度較大德國化學家哈伯向合成氨發(fā)起沖擊。1908年7月，他在實驗室用氮氣和氫氣在600℃、20MPa下得到了氨，但是產率只有2%。哈伯合成氨所用裝置產率：某種生成物的實際產量與理論產量的比值。產率＝實際產量理論產量根據合成氨反應的特點，應如何選擇反應條件，以增大合成氨的反應速率、提高平衡混合物中氨的含量？對合成氨反應的影響影響因素濃度溫度壓強催化劑提高平衡時氨的含量(產率)增大合成氨的速率(效率)

(1)原理分析：n(N2):n(H2)≈1:3及時移走產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影響加快反應速率

(2)數據分析下表中的實驗數據是在不同溫度、壓強下，平衡混合物中氨的含量變化情況（初始時氮氣和氫氣的體積比是1:3）。分析表中數據，結合成成氨反應的特點，討論應如何選擇反應條件，以增大合成氨的反應速率、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壓強越大，NH3%越大。溫度越低，NH3%越大。實驗數據表明應采取的措施與理論一致。

升高溫度、增大壓強、增大反應物濃度及使用催化劑等，都可以使合成氨的反應速率增大；降低溫度、增大壓強、增大反應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速率，但不改變平衡混合物的組成。那么，在實際生產中到底選擇哪些適宜的條件呢？1.壓強

原理分析和對實驗數據分析均表明，合成氨時壓強越大越好。但是，壓強越大，對材料的強度和設備的制造要求越高，需要的動力也越大，這將會大大增加生產投資，并可能降低綜合經濟效益。目前，我國的合成氨工廠一般采用的壓強為10MPa~30MPa。

2.溫度

根據平衡移動原理，合成氨應該采用低溫以提高平衡轉化率。實驗數據也說明了這一點。但是，溫度降低會使化學反應速率減小，達到平衡的需時間變長，這在工業(yè)生產中是很不經濟的。因此，需要選擇一個適宜的溫度。目前，在實際生產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的化合反應仍然進行得十分緩慢。通常采用加放入催化劑的方法，改變反應歷程，降低反應的活化能，使反應物在較低溫度時能較快地發(fā)生反應。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℃左右時的活性最大，這也是合成氨一般選擇400～500℃進行的重要原因。另外，為了防止混有雜質使催化劑“中毒”，原料必須經過凈化。

4.濃度

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

工業(yè)上采取迅速冷卻的方法，使氣態(tài)氨液化及時從平衡混合中分離出去，減小生成物濃度，平衡向正向移動，提高氨的產率。此外，為提高經濟效益，分離液氨的N2和H2進行循環(huán)利用。合成氨常用的生產條件壓強:溫度：催化劑：濃度：原料氣：合成氨工業(yè)流程小結一：使用鐵觸媒400~500℃10MPa~30MPa循環(huán)使用將氨液化及時分離小結二：化學反應的調控化學平衡反應速率溫度壓強催化劑溫度壓強移走生成物社會因素設備條件安全操作經濟成本環(huán)境保護社會效益使反應盡可能向著期望方向移動使反應在可控的情況下盡可能快提高單位時間的產率提高反應物平衡轉化率化學反應調控選擇條件時，既不能片面地追求高轉化率，也不能只追求反應速率，而應該尋找以較高的反應速率獲得適當平衡轉化率的反應條件。哈伯(德)（1918年）申請循環(huán)法合成氨專利合成氨與三次諾貝爾化學獎博施(德)（1931年）實現了合成氨的工業(yè)化埃特爾(德)（2007年）揭開了合成氨的“機理”“合成氨”里的中國人：2016年中科院大連化學物理研究所研究團隊研制合成了一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強分別降到了350℃、1MPa。弗蘭克(德)（1898年）氮氣、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過程模型合成氨機理圖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：學習評價：1．在合成氨時，要使氨的產率增大，又要使化學反應速率增大，可以采取的措施有（

）①增大體積使壓強減小

②減小體積使壓強增大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及時分離產生的NH3

⑧使用催化劑A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧C．②⑤ D．②③⑤⑧C2．下列事實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