《化學(xué)反應(yīng)原理》

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

固氮之路向空氣要面包

氮（N）對(duì)植物來(lái)說(shuō)是一個(gè)具有重要意義的營(yíng)養(yǎng)元素。1.植物細(xì)胞的重要構(gòu)成部分都含有氮，如果缺少氮，就無(wú)法形成新細(xì)胞，植物就會(huì)停止生長(zhǎng)發(fā)育，最后導(dǎo)致植物矮小、細(xì)弱，分枝少，花、果少易脫落。2.同時(shí)氮還是葉綠素的重要成分，如果缺少氮元素，植物葉片干枯、顏色變淡、變黃，減弱植物的光合作用。1898年，英國(guó)化學(xué)家克魯克斯“先天下之憂而憂”率先發(fā)出了為了使子孫后代免于挨餓“向空氣要氮肥”的口號(hào)。若你是科學(xué)家，你會(huì)利用N2和什么原料反應(yīng)固氮，為什么？任務(wù)一：分析人工固氮的可能路徑，選擇最佳方案方案一：N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)方案二：N2(g)+O2(g)?2NO(g)化學(xué)反應(yīng)溫度(K)焓變(KJ.mol-1)熵變(J.mol.K-1)平衡常數(shù)是否自發(fā)方案一298K-92.4-198.2K=5.0X108方案二298K+180+24.8K=3.8X10-31ΔG＝ΔH－TΔS=-33.3KJ.mol-1ΔG＝ΔH－TΔS=+172.6KJ.mol-1是否√使氨生成快(動(dòng)力學(xué)：速率分析)使氨生成多(熱力學(xué)：平衡分析)濃度壓強(qiáng)溫度催化劑增大增大增大增大升高降低使用無(wú)影響小組討論：在選擇適宜的反應(yīng)條件時(shí)，你會(huì)考慮那些因素？這些因素對(duì)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生什么影響？任務(wù)二：選擇適宜的反應(yīng)條件N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)

ΔH=

-92.4KJ/molNH3的平衡體積分?jǐn)?shù)隨投料比變化的曲線N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)

ΔH=

-92.4KJ/mol閱讀圖表信息，選擇合成氨最佳工藝條件并說(shuō)明原因？任務(wù)二：選擇適宜的反應(yīng)條件資料卡：壓強(qiáng)越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求也越高，需要的動(dòng)力也越大，這會(huì)大大增加生產(chǎn)投資。30MPa所產(chǎn)生的壓力相當(dāng)于300kg作用于1cm3面積上所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。討論：任務(wù)三：從合成氨的催化機(jī)理了解催化劑對(duì)合成氨工藝的重要作用擴(kuò)散→吸附→表面反應(yīng)→脫附→擴(kuò)散2007年格哈德·埃特爾證實(shí)了N2與H2在催化劑表面的反應(yīng)機(jī)理問：保證催化劑表面有足夠的吸附點(diǎn)可提高催化效率，整個(gè)歷程中最關(guān)鍵的操作是什么？⑥N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1①②③④⑤決速步驟，活化能最大問1：根據(jù)合成氨的反應(yīng)歷程，分析哪一步是合成氨的決速步？問2：根據(jù)合成氨催化機(jī)理結(jié)合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)角度分析：在工業(yè)實(shí)際生成中n(N2):n(H2)=1:2.8的原因。任務(wù)三：從合成氨的催化機(jī)理了解催化劑對(duì)合成氨工藝的重要作用綜合分析合成氨反應(yīng)的最佳條件:投料比n(N2):n(H2)=1:2.8，400-500℃,10-30MPa,催化劑探索最佳工藝：不斷改進(jìn)合成氨工藝的科學(xué)家們“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。更加節(jié)能，降低成本。合成氨的未來(lái)熱力學(xué)角度溫度動(dòng)力學(xué)角度ΔG＝ΔH－TΔS化學(xué)平衡移動(dòng)判斷反應(yīng)的自發(fā)性濃度壓強(qiáng)平衡轉(zhuǎn)化率溫度濃度壓強(qiáng)催化劑化學(xué)反應(yīng)速率單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化率化學(xué)反應(yīng)調(diào)控產(chǎn)量任務(wù)四：總結(jié)：條件優(yōu)化模型—化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路實(shí)踐層面

在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)使SO2轉(zhuǎn)化成SO3,2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-198KJ\mol

,(已知制備SO3的過程中催化劑使是