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    2018年高中化学第2章化学反应的方向、限度与速率2.4化学反应条件的优化课件7鲁科版选修4.ppt

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    2018年高中化学第2章化学反应的方向、限度与速率2.4化学反应条件的优化课件7鲁科版选修4.ppt

    1、影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些?,温度越高,反应速率越大,压强越大,反应速率越大,正催化剂加快反应速率,反应物浓度越大,反应速率越大,升高温度,平衡向吸热方向移动,增大压强,平衡向气态物质系数减小的方向移动,催化剂对平衡无影响,增大反应物浓度,平衡正向移动,弗里茨哈伯:,弗里茨哈伯与合成氨,合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索,单是寻找高效稳定的催化剂,2年间他们就进行了多达6500次试验,测试了2500种不同的配方,最后选定了一种合适的催化剂,使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现,瑞典

    2、皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。,【交流研讨】,合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),已知298K时: H= -92.2KJmol-1S = -198.2JK-1mol-1 请根据正反应的焓变和熵变分析298K下 合成氨反应能否自发进行?,298K下合成氨反应的平衡常数K为.(molL-1)-2,书P65,合成氨反应的特点:,可逆反应,正反应气态物质系数减小,正反应是放热反应,熵减小的反应,N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol (1体积) (3体积) (2体积),【交流研讨】,工业合成氨要考虑两方面的因素: 1、反

    3、应速率 2、氨气产量,分组讨论如何提高反应速率?如何提高氨气的产量。,【知识支持】,实验研究表明,在特定条件下,合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:, =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3),可以采取哪些措施来提高反应速率?,书P66,请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响:,催化剂对合成氨反应速率的影响,合成氨的适宜条件的选择,生成物氨的浓度,反应物的浓度,催化剂,温度,压强,速率分析,使NH3生产得快,外界条件,高压,高温,使用,增大浓度,减小浓度,平衡分析,使NH3生产得多,高压,低温,无影响,增大浓度,减小浓度,【交流研讨】,1、既然增大压强既可提高反应速

    4、率,又可提高氨的产量,那么在合成氨工业中压强是否越大越好?,压强怎么定?,2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动,那么生产中是否温度越低越好?,3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响, 在合成氨工业中要不要使用催化剂,为什么?,温度怎么选择?,要不要用催化剂?,1、压强怎么选?,分析:合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应,增大压强既可以增大反应速率,又能使平衡正向移动,所以理论上压强越大越好。但是压强越大,对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大,因此选择压强应符合实际科学技术。,综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。,2、温度怎么选择?,分析:因为正反应方向

    5、是放热的反应,所以降低温度有利于平衡正向移动。,可是温度越低,反应速率越小,达到平衡所需要的时间越长,因此温度也不宜太低。,催化剂要在一定温度下催化活性最大。,综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右(主要考虑催化剂的活性)。,3、用不用催化剂?,实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂(铁触媒),它在700K时活性最高。,分析:经济效益和社会效益要求化学反应速度要快, 原料的利用率要高,单位时间的产量要高。,4、浓度怎么定? N2 和H2的比例怎么定?,增大反应物的浓度可以增大反应速率,减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。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

    6、化率最大,但是实验测得适当提高N2的浓度,即N2和H2的物质的量比为1:2.8时,更能促进氨的合成。,实际生产中的处理方法:及时将气态氨冷却液化分离出去;及时将氮气和氢气循环利用,使其保持一定的浓度。,(阅读书本67页),研讨的结果,根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强,适宜温度700K左右,使用铁触媒作催化剂,N2和H2的物质的量比为1:2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去,【总结】,工业上利用某可逆反应生产产品:一般要使用催化剂:这样可以大大加快化学反应速率,提高生产效率,也提高了经济效益;选择合适的温度:该温度是催化剂活性最大的温度;选择合适的压强:既要考虑化学反应速率和

    7、化学平衡,还要考虑动力、材料、设备等。,【小结反思】,【迁移应用】,工业制造硫酸的主要反应为:,2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) H=-197.8 KJ/mol SO3 (g)+H2O(l)=H2SO4 (aq) ,反应的平衡常数K随温度升高而减小. 所用催化剂的主要成分为V2O5(6-12) 、K2SO4(17-20) 、SiO2 (50-70),能使催化剂中毒的物质有砷、硒、氟等. 请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反应的工艺条件(温度 、压强、原料气配比等)对工业生产硫酸的影响.,书P70 2,我国合成氨工业的发展情况:解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂;1949年全国氮肥产量

    8、仅0.6万吨;2000年达到3363.7万吨,成为世界上产量最高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家.,合成氨的工业前景,1、催化剂,合成氨的铁催化剂 这一类合成氨催化剂以还原铁为催化剂主要活性成分,并掺加 各种促进剂和载体的催化剂. 促进剂:稀土金属及其氧化物 关于稀土金属及其氧化物的作用,我国也进行了一些研究。国外也报 道了一些含钐、锆、钯、铑的催化剂研究结果,发现稀土金属及其氧化物是对氨合成非常有效的促进剂。我国有丰富的钛、锆、铌等稀有金属资源,因此, 以稀有金属氧化物为促进剂,有希望成为我国改进工业合成氨的铁催化剂的研究方向之一。,合成氨的工业前景,合成氨

    9、的钌催化剂 合成氨熔铁型催化剂要在高温、高压和耗能高的苛刻条件下使用,且催化剂的活性并不是很高。而合成氨的钌催化剂可能是一种较好的催化剂。它在低温低压下活性很高,常压下比合成氨的铁催化剂的活性高1020倍,且对水、CO和CO2不敏感,但合成氨的钌催化剂在高压下未必比合成氨的铁催化剂来得优越。,合成氨的工业前景,现在,世界上好多国家(包括我国)的科学家,都在研究模拟生物固氮,即寻找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由两种蛋白质组成。一种蛋白质(二氮酶)的分子量约22万,含有两个钼原子、32个铁原子和32个活性硫原子;另一种蛋白质(二氮还原酶)是由两个分子量为29000的相同亚基构成的,每个亚基

    10、含有4个铁原子和4个硫原子。已经发现一些金属有机化合物有可能作为可溶性的固氮催化剂。,2.化学模拟生物固氮,合成氨的工业前景,氮气在通常状态下十分稳定,一般难以发生化学反应,但在超声波作用下,可以使氮分子中的化学键削弱,从而在较温和的条件下就可以发生化学反应。在室温下用超声波辐射溶有空气的饱和水溶液后,可以测到处理过的水中含有亚硝酸、硝酸等;如果处理溶有氮气、氢气和一氧化碳的饱和水溶液,可以测到甲醛、氢氰酸和咪唑等物质,这些实验对人工固氮的研究提供了一条新的途径。,3.超声波固氮:,作业:,习题:书P71 4 .5 完成全优设计: P52 夯实基础,(1) 应选用的温度是_。,应采用的压强是_,理由是_ _。,450,常压,(1)从理论上分析,为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化 硫,可控制的条件是 。 (2)实际生产中,选定400500作为操作温度其原因是 。 (3)实际生产中,采用的压强为常压,其原因是: . (4)在生产中,通入过量空气的目是 。(5)尾气中有SO2必须回收是为了 。,


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