化学反应条件的优化化学教材学习课件

既要注意外界条件对反应速率和平衡影响的一 致性,又要注意外界条件对二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析
增加易得廉价原料,提高难得高价原料的利用率, 从而降低生产成本
从实际生产能力分析
如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的使用活性分析
注意温度对催化剂活性的影响
第1讲 描述运动的基本概念 第2章 化学反应的方向、限度与速率
工业生产中,主要从反应限度和反应速率两个角度选择适宜条件,既要考虑增大反应物的转 化率,充分利用原料,又要考虑增大反应速率,提高单位时间内的产量,同时还要考虑设备的 要求和技术条件。
第1讲 描述运动的基本概念 第2章 化学反应的方向、限度与速率
外部条件 温度 压强 浓度
催化剂
工业合成氨适宜条件的选择
第1讲 描述运动的基本概念 第2章 化学反应的方向、限度与速率
思路点拨 选取适宜的化工生产条件时,主要从反应速率和化学平衡移动两方面考虑,同时 考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响。 解析 催化剂的活性与温度有关,与压强无关,A项错误;氨易液化,N2、H2在实际生产中可 循环使用,总体来说合成氨的产率较高,B项正确;合成氨工业选择700 K左右的反应温度,主 要从反应速率和催化剂活性两方面考虑,合成氨反应的正反应是放热反应,高温不利于氨气 的合成,该温度下催化剂的活性最大,C项错误;增大压强,合成氨反应的平衡正向移动,反应 速率增大,有利于合成氨,但压强太大,对设备、动力的要求更高,D项错误。
说法正确吗? ( ✕ )
提示 虽然从合成塔出来的混合气体中氨气只占13%~14%,但由于氮气、氢气是循环 使用的,总体来讲氨的产率比较高。
第1讲 描述运动的基本概念 第2章 化学反应的方向、限度与速率

❖ A、0.2 mol.L-1.min-1
B 、 0.6 mol.L-1.min-1
❖ C、0.1 mol.L-1.min-1
D、 0.3 mol.L-1.min-1
二、合成氨工业简述：
1、主要流程：
原料气制取 净化 压缩
（造气）
（净化）
2、原料气制取：
制氮气:
合成 分离
（合成氨）
液氨
压缩 液态空气 蒸发 N2(先逸出) 物理方法 空气 碳 CO2(+N2) 分离出CO2 N2 化学方法
1× 105 Pa 15.3
3000C 4000C 5000C 6000C
2.2 0.4 0.1 0.05
1× 107 Pa 81.5
2× 107 Pa 86.4
3× 6× 1× 107 107 108 Pa Pa Pa
89.9 95.4 98.8
52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4
制氢气:
炽热碳
水蒸气 CO+H2
H2O(气)
分离出CO2
CO2+H2
H2
C(S)+H2O(g) CO(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
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年全国氮肥产量仅0.6万吨； 1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高 的国家之一。
化学反应条件的优化工业合成 氨优秀课件
利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一 个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投 产，约经历了150年的时间。

1×107Pa），中压（2×107Pa—3×107Pa），高压（
8.5×107Pa—1×108Pa）三种类型。
第十四页，共二十五页。
分析(fēnxī)： 3．催化剂。由于N2 分子(fēnzǐ)非常稳定，N2 和H2的化合十 分困难，即使采用了加热与高压的条件，合成氨的反应 还是十分缓慢。为了加快反应速率，降低反应所需要的 能量，合成氨工业普遍使用铁触媒作催化剂，使反应物 在较低温度下较快的进行反应。
700K的温度。原因：速率较快,转化率适中催化剂活性
最大。
第十三页，共二十五页。
分析 ： (fēnxī)
2．压强。增大压强，有利于氨的合成，但在实际生产中，压
强不可能无限制的增大，因为压强越大，需要的动力(dònglì)越 大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，势必增大生产 成本，降低综合经济效益。因此，受动力(dònglì)、材料、设备 等条件的限制，目前我国合成氨厂一般采用的压强为低压（
外界条件
压强 温度
催化剂 反应物的浓度 生成 (nóngdù)
(shēnɡ chénɡ)
氨的浓度
使NH3生产的多
平衡分析 高压
低温
无影响
增大浓度 减小浓度
使NH3生产的快 速率分析 高压
高温
使用
增大浓度 减小浓度
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讨论(tǎolùn)：
1、既然降低温度(wēndù)有利于平衡向生成氨的方向移动，那 么生产中是否温度(wēndù)越低越好？ 2、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量， 那么在合成氨工业(gōngyè)中压强是否越大越好？
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（二）合成氨反应(fǎnyìng)的速率 1、请根据合成氨反应的特点，结合影响(yǐngxiǎng)反应速率 的因素，思考什么条件下能使氨生成的快？

B．降低温度，增大压强，加入催化剂
C．升高温度，增大压强，增加氮气
D．降低温度，增大压强，分离出部分氨
解析：本题旨在考查影响化学平衡的外界因素的应用与
分析。题目要求增大合成氨反应中氢气的转化率，就是
在不增加氢气的情况下，改变合成氨反应的其他条件，
使更多的氢气转化为氨。从化学平衡分析也就是使平衡 栏
故B发生移动。在恒温、恒压时，加入He，使整个体
系做等压膨胀，体积变大，He虽然不参与化学反应，
但由于体积的膨胀，而使平衡混合物中的N2、H2、 栏
目
NH3的浓度都相应减小，结果，反应物浓度减小的程
链 接
度比生成物浓度减小的程度大，此时正反应速率小于
逆反应速率，平衡左移，故C发生移动。在恒温、恒
容时，向体系中加入He，使整个体系压强增大，但由
目 链
接
kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)知，在一定的温度、压强下，
化学反应速率与反应物浓度c(N2)或c1.5(H2)成正比关系，
与生成物浓度c(NH3)成反比关系。因此可以采用增大
反应物浓度、减小生成物浓度来提高化学反应速率。
4．催化剂对化学反应速率的影响：加催化剂可以
使反应的活化能从335kJ·mol－1降低为167kJ·mol－1，
例2 对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，
下列叙述中正确的是( )
A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响
栏
B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态 目
链
所用的时间
接
C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化
学平衡状态有影响
D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压

适宜温度，700 K左右 使用铁触媒作催化剂
浓度
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
学习探究
合成氨流程简图
基础自学落实·重点互动探究
合 成
压缩机
塔
氢氮混合气
水冷器 循环气体
氨 分 离 器
液 氨
循环压缩机
学习探究 活学活用
基础自学落实·重点互动探究
3． 合成氨的反应为 N2(g)＋3H2(g) 件是
学习重难点： 合成氨的适宜条件。
知识回顾
温故追本溯源·推陈方可知新
影响化学反应速率和化学平衡的重要因素：
化学反应速率
温度
温度越高，反应速率越大
化学平衡
升高温度，平衡向吸热方向移动
气体压强 催化剂 浓度
压强越大，反应速率越大
增大压强，平衡向气态物质 系数减小的方向移动
正催化剂加快反应速率； 受温度影响较大
度的 1.5 次方成正比，与氨气浓度的 1 次方成反比。
②可以采取增大 N2、H2 浓度，将氨及时从混合气中分离出去的措施来提高反应速率。
(3)有、无催化剂对合成氨反应速率影响的对比
条件 Ea/kJ·mol－1 k(催)/k(无)
无催化剂
有催化剂
说明了 使用催化剂
335 3.4×1012(700 K)
167
可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。
学习探究 归纳总结
基础自学落实·重点互动探究
使NH3生产得快和使NH3生产得多的条件
条件 压强 温度 催化剂 反应物的浓度
速率分析 高压 高温
使用 增大浓度
平衡分析 高压
低温 无影响 增大浓度
学习探究 活学活用

适宜温度，700 K左右
大致有三种类型： 低压 中压
高压
一般选择铁做催化剂
速率与各物质的浓度的关系式：
V=KC(N2) C1.5(H2) C-1(NH3)
讨论：工业上能否用过量N2提高H2转化率？
NH3% 实验表明：适当提高氮气比例为1:2.8，有利于合成氨 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
压强越大， 反应速率越大 正催化剂, 加快反应速率 浓度越大， 反应速率越大
压强
催化剂
无影响
增大反应物浓度， 平衡正向移动
浓度
二、合成氨反应的速率
交流· 研讨 (P66)
1. 升高温度、增大压强 增大浓度、使用催化剂
2. 增大N2 、H2浓度,同时将氨及 时从混合气中分离出去 3. 使用催化剂，可以使合成氨 的速率提高上万亿倍
适 宜 的 合 成 氨 条 件 工 艺 流 程
化学反应 的限度
怎样能促 使化学平 衡向合成 氨方向移 动 怎样能 提高合 成氨反 应速率
化学动 力学
化学反应 的速率
社会效益
分析：合成氨的反应特点
N2+3H2 反 应 特 点
_____反应
2NH3
△H<0
正反应为_____反应
正反应为气体系数_____的反应
1:1
1:2
1:3
1:4
1:5
1:6
N2:H2
四.合成氨的生产流程
粗读课本P69
造气———净化———合成氨
例 已知2SO2(g)+O2(g) 题
其实验数据见表
2SO3 (g) △H＜0
450℃ (1) 应选用的温度是______ 。 SO2 常压 ，理由是因为常压下 (2) 应采用的压强是______ ___________ 的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率 __________________________________________ 提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。 _______________________________________

课堂检测
4.合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图 分析合成氨工业最有前途的研究方向是 A.提高分离技术 B.研制耐高压的合成塔
√C.研制低温催化剂
D.探索不用N2和H2合成氨的新途径
解析 由图可知：φ(NH3)随着温度的升高而显著下降，故要提高φ(NH3)必须降低温 度，但目前所用催化剂——铁触媒活性最好时的温度在700 K左右，故最有前途的研 究方向是研制低温催化剂。
敬请各 位老 师提 出宝 贵意见 ！
的转化率 D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，逆反应速率减小
课堂检测
解析 达到平衡后，加入N2，平衡正向移动，达到新平衡后，NH3的浓度会增大， 而N2的浓度比原平衡的大；达到平衡后，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平 衡逆向移动，不利于NH3的生成；达到平衡后，缩小容器体积既增大压强，正、逆反 应速率都增大，平衡正向移动，又有利于提高H2的转化率；加入催化剂，能同等程 度地增大正、逆反应速率，缩短反应达到平衡的时间。
课堂检测
3.关于工业合成氨的叙述中，错误的是 A.在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行
√B.温度越高越有利于工业合成氨
C.在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本 D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动
解析 合成氨的反应为放热反应，温度越高，NH3的产率越低，温度太高 会影响催化剂的催化效果。
一、合成氨反应的限度与速率
【理解应用】
1.能使合成氨反应N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1进行限度增大 的方法是
A.升高温度
B.降低压强

例2． 有平衡体系：CO(g)＋2H2(g) ⇌CH3OH(g) ΔH<0，为了增加甲
醇(CH3OH)的产量，应采取的正确措施是( B )
A．高温、高压
B．适宜温度、高压、催化剂
C．低、低压
D．高温、高压、催化剂
例 3．硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应 2SO2
1．反应原理
N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH（298 K）＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
2．反应特点
正反应是气体体积减小的反应，ΔH < 0，ΔS 0；吉布斯自由能
ΔG=
（公式）= -33.1 （298K时数值） < 0，常温下能自发
进行。
三、合成氨反应的适宜条件 1．合成氨反应适宜条件分析 工业生产中，必须从反应限度和反应速率两个角度选择合成氨的适宜条 件，既要考虑尽量增大反应物的 转化率，充分利用原料，又要选择较快 的速率 ，提高单位时间内的 产量 ，同时还要考虑设备的要求和技术 条件。
2．合成氨的适宜条件（课本80页）
序号 影响因素
选择条件
1
温度
反应温度控制在 700K 左右
2
物质的量
N2、H2投料比 1:2.8（78页）
3
压强
1×107～ 1×108 Pa（低压、中压、高压）
4
催化剂
选择 铁 作催化剂
例1．下列有关工业合成氨的叙述中正确的是(CD ) A．温度升高，不利于提高合成氨的反应速率 B．工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨 C．合成氨反应平衡的移动受温度、浓度、压强等因素的影响 D．使用铁触媒，可以使氮气和氢气化合速率明显增大

4、无论你觉得自己多么了不起，也永 远有人 比更强 ;无论 你觉得 自己多 么不幸 ，永远 有人比 你更不 幸。 5、也许有些路好走是条捷径，也许有 些路可 以让你 风光无 限，也 许有些 路安稳 又有后 路，可 是那些 路的主 角，都 不是我 。至少 我会觉 得，那 些路不 是自己 想要的 。 6、在别人肆意说你的时候，问问自己 ，到底 怕不怕 ，输不 输的起 。不必 害怕， 不要后 退，不 须犹豫 ，难过 的时候 就一个 人去看 看这世 界。多 问问自 己，你 是不是 已经为 了梦想 而竭尽 全力了 ?
102.人生过程的景观一直在变化， 向前跨 进，就 看到与 初始不 同的景 观，再 上前去 ，又是 另一番 新的气 候―― 。[叔本 华]
103.为何我们如此汲汲于名利，如 果一个 人和他 的同伴 保持不 一样的 速度， 或许他 耳中听 到的是 不同的 旋律， 让他随 他所听 到的旋 律走， 无论快 慢或远 近。― ―[梭罗]
100.这个世界总是充满美好的事物 ，然而 能看到 这些美 好事物 的人， 事实上 是少之 又少。 ――[罗 丹]
101.称赞不但对人的感情，而且对 人的理 智也发 生巨大 的作用 ，在这 种令人 愉快的 影响之 下，我 觉得更 加聪明 了，各 种想法 ，以异 常的速 度接连 涌入我 的脑际 。――[托尔斯 泰]
化学反应条件的优 ----工业合成氨
课前预习区
1、 N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
已知298K时: △H= -92.2KJ·mol-1
△S = -198.2J·K-1·mol-1
特点：: △H < 0，△S < 0，且气体体积 减小 （填“增大”或“减小”）
常温下(298K)为 可以 自发的反应 计算过程：

【教学后记】
1.本节课为完整内容的一节课，24张幻灯片。（太多）但在先学后教，以学定教的情景下，以设疑自探为引导，对预 习后存在的问题在PPT中以超级链接的方式做到以学定教。 2.优点：以学定教，容量大效率高。
缺点（1）对部分预习不到位的同学是一个弱点，他们通过这节课学不到一系列连贯的知识和能力。（2）会不会消 弱了过程中的分析研讨能力（比如：对P66 图2-4-3 表2-4-1 的分析能力？）有待论证。
＋O2(g)
催化剂 △
2SO3 (g) ΔH＝－198 kJ·mol－1。下表为不同温
度和压强下 SO2 的转化率(%)（预测温度，浓度，压强，催化剂等条件）
T/ ℃
p/Pa 1×105
450
97.5
550
85.6
5×105
98.9 92.9
1×106
5×106
99.2
99.6
94.9
97.7
1×107
1、压强怎么选？
分析：
①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。
②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。实际生产中压强一般选择在200～500大气压之间。
【总结】
【小结】
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：一般选择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化学平衡，
还要考虑动力、材料、设备等。