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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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 。,