《化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控》一、從合成氨說(shuō)起

1.為什么要合成氨？18世紀(jì)末，英國(guó)化學(xué)家克魯克斯“先天下之憂而憂”，率先發(fā)出為了使子孫后代免于饑餓“向空氣要氮肥”的號(hào)召。

化學(xué)創(chuàng)造了第二個(gè)大自然！

從化學(xué)平衡的視角分析，合成氨應(yīng)該可行！

想一想：從哪些角度選擇固氮反應(yīng)？常溫

K＝3.8×10－31常溫

K＝5.0×108

氧化法：

還原法：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)N2(g)+O2(g)

2NO(g)

2.

合成氨很難嗎？18世紀(jì)末，有人試圖在常溫常壓下合成氨，也有人在常溫加壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?！际×撕铣砂辈蝗菀?，難在哪兒？如果是你，你會(huì)怎樣分析？

德國(guó)化學(xué)家哈伯向合成氨發(fā)起沖擊。1908年7月，他在實(shí)驗(yàn)室用氮?dú)夂蜌錃庠?00℃、20MPa下得到了氨，但是產(chǎn)率只有2%。

哈伯合成氨所用裝置冷卻室反應(yīng)器出水口干燥室液態(tài)NH3出口進(jìn)水口未反應(yīng)氣體通過(guò)循環(huán)泵返回壓縮N2和H2進(jìn)口二、尋找工業(yè)合成氨的適宜條件

如果你是20世紀(jì)初的工程師，你如何為工廠設(shè)計(jì)合成氨的生產(chǎn)條件？可以從哪些角度分析？化學(xué)平衡化學(xué)反應(yīng)速率理論實(shí)踐

想一想：

理論分析——合成氨反應(yīng)有什么樣的特點(diǎn)？如何通過(guò)選擇反應(yīng)條件提高平衡混合物中氨的含量？

對(duì)合成氨反應(yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強(qiáng)提高平衡混合物中氨的含量N2(g)+3H2(g)2NH3(g)?H＝－92.4kJ/mol

1.

從化學(xué)平衡分析對(duì)合成氨反應(yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強(qiáng)提高平衡混合物中氨的含量n(N2):n(H2)≈1:3及時(shí)移走產(chǎn)生的氨降低增大從化學(xué)平衡看，合成氨的適宜條件

理論分析：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

①溫度

低溫可以提高平衡混合物中氨的含量。n(N2):n(H2)≈1:310MPa與理論預(yù)期一致實(shí)踐探索——通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論

采用控制變量的方法n(N2):n(H2)≈1:3400℃②壓強(qiáng)

理論分析：

壓強(qiáng)越大越有利于提高平衡混合物中氨的含量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：與理論預(yù)期一致原料氣n(N2):n(H2)≈1:3及時(shí)移走產(chǎn)生的氨低溫和高壓從化學(xué)平衡看，合成氨的適宜條件

想一想：思考：為什么沒(méi)有在常溫合成氨？合成氨難在哪兒？還有什么因素制約氨的合成？常溫下合成氨化學(xué)反應(yīng)速率很?。?/p>

合成氨反應(yīng)為什么慢？

2.從化學(xué)反應(yīng)速率分析——活化能高如何增大合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率？對(duì)合成氨反應(yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強(qiáng)催化劑增大合成氨的反應(yīng)速率增大升高增大使用

怎樣降低反應(yīng)的活化能？——改變反應(yīng)歷程對(duì)合成氨反應(yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強(qiáng)催化劑增大合成氨的反應(yīng)速率增大升高增大使用提高平衡混合物中氨的含量n(N2):n(H2)≈1:3及時(shí)移走產(chǎn)生的氨降低增大無(wú)影響

想一想：

3.綜合分析

實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)：綜合考慮成本要低！①壓強(qiáng)

從化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡考慮，都是壓強(qiáng)越大越好。

綜合成本與設(shè)備耐壓：

10MPa~30MPa

3.綜合分析②催化劑增大化學(xué)反應(yīng)速率，不改變平衡混合物的組成。

現(xiàn)在常用鐵，其活性最好的溫度為500℃左右。

3.綜合分析

③溫度

綜合考慮，特別是考慮催化劑的活性。

一般400~500℃

低溫可以提高平衡混合物中氨的含量，但低溫會(huì)減小化學(xué)反應(yīng)速率。

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？

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

想一想：合成氨常用的生產(chǎn)條件：

使用催化劑溫度：400~500℃壓強(qiáng):10MPa~30MPa將氨及時(shí)分離出來(lái)原料氣循環(huán)使用二、尋找工業(yè)合成氨的適宜條件三、化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路1.選取恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)思考并歸納出化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路

試一試：影響因素調(diào)控反應(yīng)三、化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路反應(yīng)化學(xué)平衡反應(yīng)速率最佳效果2.分析調(diào)控方法三、化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路3.探索最佳工藝

哈伯：

鋨（劇毒）作催化劑

17.5MPa~20.0MPa、500~600℃

氨含量6%三、化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路

博施：

鐵作催化劑

開(kāi)發(fā)了適合高溫、高壓下的合成設(shè)備

設(shè)計(jì)了獲得大量廉價(jià)原料氣的方法三、化工生產(chǎn)中調(diào)控反應(yīng)的一般思路埃特爾：

在合成氨反應(yīng)初期，氮、氫分子被吸附在鐵催化劑表面。進(jìn)而確定吸附的氮原子和氫原子是反應(yīng)活性物，整個(gè)反應(yīng)就是氮原子逐步加氫最終生成氨分子的過(guò)程，并給出了每步反應(yīng)的活化能。原料用量n(N2):n(H2)：理論值為1:3實(shí)際為1:2.8

哈伯（1918年）合成氨的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)工作

博施（1931年）實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化

埃特爾（2007年）揭開(kāi)了合成氨的“天機(jī)”4.不斷技術(shù)創(chuàng)新合成氨與三次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

“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、降低成本小結(jié)：化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控明確目的

可行性確定反應(yīng)原理分析實(shí)驗(yàn)摸索

找條件化學(xué)平衡反應(yīng)速率設(shè)備可行成本核算

如何為一個(gè)化學(xué)反應(yīng)選擇適宜的生產(chǎn)條件？任務(wù)化工生產(chǎn)反應(yīng)條件的優(yōu)化與選擇[問(wèn)題探究]在硫酸工業(yè)中,通過(guò)下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)

ΔH=-198kJ·mol-1。(已知催化劑是V2O5,在400~500℃時(shí)催化效果最好)下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率:溫度轉(zhuǎn)化率1×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.5%99.2%99.6%99.7%550℃85.6%94.9%97.7%98.3%1.根據(jù)化學(xué)理論和以上數(shù)據(jù)綜合分析,為了使二氧化硫盡可能轉(zhuǎn)化為三氧化硫,可控制的條件是什么?提示

常壓、450

℃、催化劑。2.在實(shí)際生產(chǎn)中,選定400~500℃作為操作溫度,其原因是什么?提示

兼顧速率和平衡,且在此溫度下催化劑的活性最高。3.根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)分析,制取SO3時(shí)為什么不采用高壓?提示

在常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率就已經(jīng)很高了(97.5%),若采用高壓,平衡能向右移動(dòng),但效果并不明顯,且采用高壓時(shí)會(huì)增大設(shè)備的成本,得不償失。4.在生產(chǎn)中,通入過(guò)量空氣的目的是什么?提示

增大反應(yīng)物O2的濃度,提高SO2的轉(zhuǎn)化率。5.尾氣中的SO2必須回收的目的是什么?提示

防止污染環(huán)境;循環(huán)利用,提高原料的利用率。[深化拓展]工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的原則外界條件有利于增大反應(yīng)速率的條件控制有利于平衡正向移動(dòng)的條件控制綜合分析結(jié)果濃度增大反應(yīng)物的濃度增大反應(yīng)物的濃度、減小生成物的濃度不斷地補(bǔ)充反應(yīng)物、及時(shí)地分離出生成物催化劑加合適的催化劑不需要加合適的催化劑外界條件有利于增大反應(yīng)速率的條件控制有利于平衡正向移動(dòng)的條件控制綜合分析結(jié)果溫度高溫ΔH<0低溫兼顧速率和平衡,考慮催化劑的適宜溫度ΔH>0高溫在設(shè)備條件允許的前提下,盡量采取高溫并考慮催化劑的活性壓強(qiáng)高壓(有氣體參加)反應(yīng)后氣體體積減小的反應(yīng)高壓在設(shè)備條件允許的前提下,盡量采取高壓反應(yīng)后氣體體積增大的反應(yīng)低壓兼顧速率和平衡,選取適宜的壓強(qiáng)[素能應(yīng)用]典例有關(guān)合成氨工業(yè)的說(shuō)法正確的是(

)A.增大H2的濃度,可提高H2的轉(zhuǎn)化率B.由于氨易液化,N2、H2在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)循環(huán)使用,所以總體來(lái)說(shuō)氨的產(chǎn)率很高C.合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在400~500℃,目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)D.合成氨廠采用的壓強(qiáng)是10MPa~30MPa,因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大答案

B解析

A項(xiàng),增大H2的濃度,H2的轉(zhuǎn)化率減小;C項(xiàng),溫度控制在400~500

℃主要是為了兼顧速率與平衡,且500

℃左右時(shí)催化劑活性最大;D項(xiàng),壓強(qiáng)采用10

MPa~30

MPa主要是考慮對(duì)設(shè)備材料的要求。變式訓(xùn)練1硫酸是一種重要的化工產(chǎn)品,目前主要采用“接觸法”進(jìn)行生產(chǎn)。有關(guān)接觸氧化反應(yīng)2SO2+O22SO3的說(shuō)法中正確的是(

)A.只要選擇適宜的條件,SO2和O2就能全部轉(zhuǎn)化為SO3B.該反應(yīng)達(dá)到平衡后,反應(yīng)就完全停止了,即正、逆反應(yīng)速率均為零C.在達(dá)到平衡的體系中,充入由18O原子組成的O2后,SO2中18O含量減少,SO3中18O含量增多D.在工業(yè)合成SO3時(shí),要同時(shí)考慮反應(yīng)速率和反應(yīng)能達(dá)到的限度兩方面的問(wèn)題答案

D解析

該反應(yīng)為可逆反應(yīng),SO2和O2不能全部轉(zhuǎn)化為SO3,A錯(cuò);達(dá)到平衡后反應(yīng)不停止,正、逆反應(yīng)速率相等,B錯(cuò);達(dá)到平衡后充入由18O原子組成的O2,平衡正向移動(dòng),SO3中18O含量增多,因?yàn)榉磻?yīng)可逆,SO2中18O含量也增多,C錯(cuò)。變式訓(xùn)練2有平衡體系:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

ΔH<0。為了增加甲醇(CH3OH)的產(chǎn)量,應(yīng)采取的正確措施是(

)A.高溫,高壓B.適宜溫度,高壓,催化劑C.低溫,低壓D.高溫,高壓,催化劑答案

B解析

該反應(yīng)是一個(gè)氣體體積減小的放熱反應(yīng),為增加甲醇的產(chǎn)量,需使平衡正向移動(dòng),理論上可采用低溫、高壓的方式,但在實(shí)際生產(chǎn)中還需考慮反應(yīng)速率、設(shè)備承受的壓力及催化劑的活性等因素的影響。

素養(yǎng)脈絡(luò)

隨堂檢測(cè)1.利用原料氣在合成塔中合成NH3,為提高N2的轉(zhuǎn)化率所采取的措施是(

)A.高溫B.高壓C.使用催化劑D.增大N2的濃度答案

B解析

合成氨反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng),據(jù)勒夏特列原理可知,高壓利于提高N2的轉(zhuǎn)化率。2.NH3是一種重要的工業(yè)原料。下列關(guān)于合成氨的說(shuō)法中,不正確的是(

)A.工藝涉及催化技術(shù)B.工藝涉及高溫高壓技術(shù)C.原料之一的氮?dú)鈦?lái)自空氣D.從合成塔出來(lái)的氣體中,氨的體積分?jǐn)?shù)為100%答案

D解析

合成氨反應(yīng)為可逆反應(yīng),N2和H2的轉(zhuǎn)化率小于100%,則從合成塔出來(lái)的氣體中,氨氣的體積分?jǐn)?shù)小于100%。3.在一定條件下,可逆反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反應(yīng)是放熱反應(yīng))達(dá)到平衡,當(dāng)單獨(dú)改變下列條件后,有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是(

)A.加催化劑,v(正)、v(逆)都發(fā)生變化且變化的倍數(shù)相等B.加壓,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍數(shù)大于v(逆)增大的倍數(shù)C.降溫,v(正)、v(逆)都減小,且v(正)減小的倍數(shù)小于v(逆)減小的倍數(shù)D.等容條件下加入氬氣,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍數(shù)大于v(逆)增大的倍數(shù)答案

D解析

等容條件下加入氬氣,