14高中化学《热力学 第4课时-平衡移动的应用》优质课教学视频

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　　化学反应的综合调控，也就是从两个角度，速率以及平衡的角度来分析一个可逆反应。首先我们来看一个新闻。在 1919 年的瑞典皇家科学院将这个唯一的诺贝尔学奖颁给了德国的物理学家这个普利茨哈勃，以表彰他在 9 年前发明了人工合成胺的这个反应，从此使人类摆脱了依靠天然氮肥的被动局面。那通过生活常识，我们知道氮元素在植物生长的过程中具有非常重要的意义。工业合成安用的是下边这个肯定反应，那为什么要用这个肯定反应呢?我们通过具体的数据来进行分析。好，我们看到第一个任务合成氨的研究与条件的选择，我们可以看到黑板上有两个人工布弹的方程式，现在跟你的同学相互讨论一下，你觉得黑板上的两个方程是哪一个适合于人工护带呢?

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　　好好来，你来分享一下你的想法，你觉得这两个方程是哪个适合的啊?我觉得第二个比较适合你的原因是什么呢?因为第一个的常规下的平衡常数是 5 乘以 10 的- 31 次方，它的平衡常数太小了，转化出来就比较少。然后第二个是 4.1 乘以 10 的 6 次方平方常数比较大，嗯，很好坐。那也就是说平衡常数可以表达可逆反应的。平衡的什么呀?限度或者是转化率，那平衡常数越大，那是不是就证明这个反应正向移动的趋势越大?所以在选择反应方面，我们选择第二个反应。

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　　当然除了选择这个反应之外，我们也可以通过下边这个吉布斯自由能的判定公式来判定一个反应能否自发进行，也就是德尔塔 h 减 t 乘德尔塔 s 要小于0。在计算方面你要注意德尔特 s 和德尔克 h 的单位是不一样的，你如果要带入数值的话就要换算单位。

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　　那在这儿如果温度升高到 2, 000 摄氏度，我们会发现第一个反应它的平衡常数也仅仅增大到了0.1，进一步说明我们应该选择第二个反应来用于人工固氮。既然选择好了反应，那下一步我们的目标就是怎样使生成物的浓度是增大。嗯，好，我们来看到黑板上的这个坐标图，嗯，黑板上的这个图像一共有哪两个变量?第一个变量是温度，对吧?温度。那如果我们用文字来描述的话，那就是随着温度的升高，氨的质量分数直线降低，第二个变量有压强，那我们会发现随着压强的增大。

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　　那所以就这个变量来分析的话，你应该选择什么样的条件呢?选择低温，然后高压?这是仅仅从这个数值方面去进行分析，那实际生产中会不会选择这样的条件，还得考虑另一个因素，也就是速率。好，我们一起来看，那利用平衡移动的原理来判断一下什么条件有利于合成氨反应的正向进行。首先从浓度方面，浓度分成两部分，一个是反应物，一个是生成物。那我们期望反应物的浓度应该怎么样?大一点，大大，然后生成物的浓度小一点，压强。我们希望小大大。我们希望给它加压，加压有利于反应向气体系数减小的方向进行移动，所以我们增大压强，那催化剂对于平衡转化率有影响吗?没有，要影响，化剂在这一方面不影响的。

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　　好，根据反应的德尔塔h，那我们应该选择升温还是降温，对吧?它因为它是个放热反应，所以选择低温。那也就是说如果从温度与压强的角度，我们选择了低温与高压，而在实际的生产中，很明显低温这个条件是不利于工业生产的。那实验事实也证明，如果试温下将氮气和氢气混合，即使我们把压强增大到所允许的最大的压强也几乎得不到氨气。那也说我们还需要从另一个角度来提高氨气的平衡转化率。我们来看这一组实验数据。

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　　第一组是合成塔中各组份的实际数据，下一组是达到平衡时的浓度。通过对照这两组数据，那现在上面合成氨的塔中反应有没有达到平衡呢?怎么判断一个反应有没有达到平衡状态呢?看到是平衡，唉，下面这一个已经是平衡浓度了，有了平衡浓度，你可以把该温度下的平衡常数是不是给它算出来?那任意一个条件我们应该比较浓度熵，对吧?嗯，和平衡常数的大小。如果浓度熵等于平衡常数，说明什么?平衡量已经达到平衡了。如果浓度商小于平衡常数，没有平衡，且该反应该往正反应方向进行，没有达到平衡常数是不是说明不够呀?少了他就得正向进行反感知。如果 QC 已经大于平衡常数了。逆说明它不是平衡状态，但是它得逆向进行，所以平衡常数相当于是一个标准，任意时刻我们可以把浓度商算出来与这个标准进行对比，就可以知道这个时刻的这个反应的状态。

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　　根据上面的数据，我们可以通过下边的计算式进行表达，你可以发现平衡常数算出来是0.91，而浓度烧算出来是0.036，所以这个反应怎么样?没有平衡，没有达到平衡状态，那除了平衡线度之外，我们也要从合成氨的速率这一方面来分析一个工业生产。那我们期望的是这个反应速率是不是越快越好?那大家还记得哪些变量可以影响速率吧?哪些变量浓度?你来说一个浓度，还有压强温度。嗯，催化剂很好做。那我们把下边这个表里边，嗯，哪些影响?速率?应该怎么影响?来把它填一填，我们的目标是增大速率，对吧?那所以我们的浓度气泡怎样增大?对，增大压强升高、升化高增大，然后催化剂加入催化剂，我们的催化剂虽然不影响平衡转化率，但是催化剂可以快速的提高反应速率，可以提高速率。那温度增大，那你就会发现通过这个平衡线度和速率两个角度进行分析的时候，有些变量是不是就不一致了?对，看到了吗?压强是一致的，但是这个温度这一方面是不是就不一致了?不一致。另外在催化剂这一方面，虽然它不提高平衡转化率，但是它可以大幅提高速率，所以在工业生产中我们还是要用到催化剂的啊。

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　　那关于浓度方面，我们可以把氨气及时的液化分离，如果氨气液化分离了，是不是相当于生成物的浓度?怎么样?降低了生成物浓度，降低平衡是不是就正向移动了啊?那氮气和氢气可以循环利用。另外在这个压强方面你也不可能无限的增大，也得考虑这个材料的成本，所以我们最终选择的压强是 30 兆帕，我们来看到它们的反应比例，黑板上有一个图是不同的氮气与氢气的比例的时候，氨气的平衡体积分数。通过这个图你可以发现当氮气和氢气几比几的时候，生成物的百分比是最多的，拉的时候看到没有?大概，如果读一个整数的话大概是几3，而这个 3 正好是方程式的什么化系数之比，化学系数之比，那也是说如果我们按照 1: 3 投料，也就说按照方程式的系数投料，它是不是正好可以达到这个体积分数，也就是相对含量最高?嗯，好。

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　　嗯，我们来看催化剂。那催化剂对于这个反应的影响主要分成了以下的八步，首先气体分子在催化剂的表面进行扩散吸附，然后催化剂和气体分子发生反应。我们知道催化剂的意思只是代表反应前后是个质量以及化学性质都不改变，但是催化剂是要参加这个反应的。举个简单的例子来说，比如说你从学校走到车站，你可以从这儿走过去，也可以选择乘坐交通工具，那在这个过程中交通工具是参加了你从学校的这一段路程。嗯，对，他把你放下之后，那交通工具没有改变，那也说催化剂是参加化学反应的，只不过反应前后没有改变而已。好，然后与催化剂的表面进行表面反应，之后再从催化剂的表面脱离，这就是整个过程。

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　　根据活化能的图，我们可以在所有的这个机缘反应中，也就是分布反应中找到活化能最大的那一步，叫什么步骤来着?决束步骤，对吧?那如果你想提高一个反应的速率，你从哪一个步骤入手?最好呀?决速步骤，你只要把决速步骤提高了，是不是整个反应的速率就可以快速的提高啊?那所以根据决束步骤的数据我们就知道，那现在第一步反应是决束步骤，那因此我们就要从第一步入手，你可以增大氮气的浓度。那如果氮气的浓度增大，第一步是不就正向移动的速率很快了?当然你也可以把氨气及时的分离走，有利于反应的正向进行。

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　　好，那通过刚刚的分析，我们知道它的反应比例大概是 1: 3，实际工业生产用的是 1: 二点九来看到催化剂，通过催化剂的这个图你会发现什么问题呢?催化剂一直有活性吗?没，没有，没有，对吧?催化剂，你看随着这个横坐标温度哈。横坐标温度的这个图，那你会发现催化剂并不是一直有活性的，换句话说，它应该有它适用的温度范围，对吧?适用的温度范围，而催化性催化剂具有高效性和选择性。就说我想催化哪个反应，我有选择的进行催化，就好比生物学上所学的酶一样，对吧?酶具有专一性。好，那我们可以发现在根温度下催化剂的活性是最高的，那也说催化剂的活性会受到温度的影响。另外我们也知道催化剂的活性还会受到溶液的酸碱性、其他生成物或者是其他梨子浓度的影响，我们可以称之为有时候会引起催化剂的什么呀?中毒，对吧?催化剂中毒现象。

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　　好，那所以我们最终选择的温度是 400- 500 摄氏度，既要考虑催化剂的活性，又在一定程度上增加了温度，提高了反应速率，那也就是说，当反应限度和反应速率矛盾的时候，我们是不是要这个辩证来分析?哎，既要考虑速率，也得考虑限度。这是合成安最终使用的工业流程图。那氮气和氢气循环利用，氨气及时分离。

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　　通过这个反应，那下面我们来通过两个任务来落实一下具体的反应应该怎样来分析。首先看到第一个单一反应中的条件调控，好，我们来看到黑板上的这道题，我们的实验目的是制备丁稀，对吧?伊丁稀，这是我们的实验目的，那么这个可逆反应根据下边的实验数据有两个变量，一个变量是什么?一个变量是温度，对吧?那随着温度的升高，平衡转化率怎么样?越来越高。为什么呀?因为反应是一个虚热反应。吸热反应在吸热反应中升高温度有利于平衡正向提醒好，第二个变量是加强，那根据反应的系数怎么样压强它就会转化率增高降低?来，你来回答一下，第一个空应该填大于还是小于呢?小于。你给大家解释一下，为什么要降压呢?

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　　就选择同一个温度行控制，温度相等，加强越低平衡转化率越高。嗯，好，走，换句话说，我们可以看反应的什么呀?系数，对吧?可以看系数，我们可以发现反应物的系数是不是一生成物的系数是2，对吧?那所以降压有利于反应的正向机型。好，第二个空，你来说说你的答案。 a 和d。好，很好，请坐。好，我们看第三个问题。

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　　好，第一个，这个氢气是不是反应物?不是。反应物，不是，对吧?氢气不是反应物，而你看题干中说，他说把丁烷，也就是看似氢石和氢气以一定的流速，这个通过有催化剂的反应器后边是不是有个括号写的是氢气什么作用?活化催化剂，对吧?活化催化剂，也就说氢气的存在使催化剂活化，但是为什么氢气通多了之后反而这个图像要下降呢?来约你说因为氢气是这个反应的生成物浓度，等希望上升高之后，它反应产率会降低。嗯，很好，请坐。那也就说氢气在这个过程中虽然承担了活化催化剂的作用，但是氢气是这个反应的生成物，所以当你经济通脱了之后，这个反而对这个反应产生了不利的影响。第三个。

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　　为什么这个生成物在 590 摄氏度之前，它的这个生成量会随着温度的升高而升高两个角度，一个是速率，一个是平衡移动。那你来说温度升高反应速率加快，还有吗?再升，温度升高，反应向性热方向进行。嗯，很好，请坐。从这两个角度他得到的方向是不是都是一致的?对，所以升高温度这个生成物是越来越多的，那既然升高温度生成物越来越多，那为什么过了 590 之后，丁硒的产率反而下降了呢?你可以在第3小题的题干中找到什么信息?哎，对，很好。

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　　高温列解生成短碳链汀类化合物，也就是说高温的时候是不是反而这个生成物受热分解了，所以它才下降了啊?不然的话你升高温度是不是它应该是越来越多的?嗯，正是因为副产物的存在，所以它反而变少了，这是单一的反应，那主要就考虑它的热效应，对吧?平衡移动的方向，那下面我们来看并行反应的条件调控。

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　　那如果是一个并行反应的话， a 反应是不是也会对 b 反应产生影响?对，所以这时候要综合分析，我们先来看第一个好，看，第一个空。那在大家之前学过的知识里边，什么样的反应有利于自发进行呢?哎，放量反应，还有 s 叫德尔塔s。德尔塔 s 叫什么来着?商增加还是减小呢?商增加叫做商增加的反应，商增或者是放热反应，有利于反应的自发进行哈。那现在这两个反应为什么在热力学的角度上反应趋势都很大呢?

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　　第一个反应是伤增厚，第一个反应是伤增加混乱度。怎么看混乱度反应看气体系数，对吧?气体系数越大，那么气体的混乱度是不是就越大啊?然后第二个反应的伤是不是基本不变?前后基本一样，那主要的原因两个反应都是什么反应?放热反应很好，主要是因为它是放热反应，我们知道能量越低越稳定，所以当反应放出能量之后，它越趋向于反应的进行，所以放热反应有利于反应的进行。

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　　第二个，嗯，丙烯经，也就是第一个反应方程式。那什么样的条件有利于第一个反应的正向移动呢?如果从温度方面来讲，你希望什么样低温?因为它是个放热反应，如果从压强的角度来想，低压压，所以正确答案就是低温低压。第三个，那怎么让这个平行反应选择性的就合成你需要的目标产物呢?哎，什么物质具有选择性来着?催化剂与催化剂具有选择性，所以当这时候我们就可以选择一种特定的催化剂，让他专门来提高第一个反应的速率，这么变相的就提高第一个的生成物的量了，所以我们可以选择催化剂。好，我们看到第二个它主要考的是第一个方程式在 460 摄氏度的时候是不是平衡转化率?好，跟你的同桌讨论一下这个问题。

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　　好了，来我们请这个同学来分享一下你的答案，你觉得它是不是平衡产率呢?不是吧啊?不是。你选择不适的原因是什么呢?嗯，这个是个放热反应。嗯，你大点声，因为它是放热反应。风油而向精，那产率应该随着温度的升高而下降，而在 460 摄氏度之前，随着温度的升高是不是在一直升高呀?所以说它还没有达到平衡，得先达到平衡是个才平衡移动。但是说按照平衡移动的方向升温应该是逆向移动的，所以在 460 摄氏度之前它不是平衡，因为它不符合平衡移动的方向，那 460 就一定真的是平衡了吗?不一定，下边这个高于 460 摄氏度的时候，丙吸晶的产率降低的原因可能是什么呢? c 你可以选出来不?产物增多了，然后以往 a 答案是 a 和c。那为什么会选a?

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　　温度升高，催化剂有可能是火，对吧?每个催化剂都有自己适宜的温度，那也就是说 460 摄氏度也不一定是平衡。这里所说的产率有可能只是单位时间的产率，并不代表平衡产率、单日时间的产率受速率的影响。所以这道题的答案选的是 a 和c。最后一个问题，两个反应综合来看的话，你觉得氨气和丙烯的投料比选择横坐标里的哪个点是最合适的呢?

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　　好，我们先来看我们需要的丙烯晶的这个产率，随着氨气和丙烯的比例的增加是越来越高的，对吧?而这个副产物丙烯全是越来越低的，那所以在横坐标里边我们选择什么样的比例最有利于产品呢?选哪一个?横坐标选一1.0，也就是 1: 1。那选择的理由怎么来描述呢?在这个点的时候，丙吸晶的产率是相对较高的，而不产物的产率是相对较低的，所以我们就选择这个点选拐点。那怎么来理解化工生产中的反应调控呢?首先我们需要确定一个合适的反应，在刚开始人工布弹的时候，我们选择了与氢气合成氨气的这个反应，主要从平和常数的角度进行分析，然后确定了反应之后，根据它的物理量选择合适的反应条件。那么在选择的时候，既要从理论的角度进行论证，又要从实际材料的方面进行确定。最后我们既要考虑反应的速率，也得考虑反应的平衡状态，那当然设备条件、经济成本等方面也得参与考虑好。下面我们来看 2020 年的全国一卷的高考题，大家把这道题做一下。

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　　好，大家完成这道高考题了，完成了这道题，大家应该觉得应该选哪个?可以选c，那我们怎么来分析这个复杂的反应呢?在所有的这种循环图里边，箭头指进来的代表什么?箭头指进来的代表反应物，箭头指出去的代表生成物，它反应为生成物。那么在整个过程中循环的中间就是中间产物或催化剂。

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　　好，那现在我们找箭头指进来的，根据题干中的信息，龙这个配合物离子可以催化甲醇汤基化，那也说通过这一句话你可以找到反应物应该是谁。甲醇汤鸡化是不是指反应物就是甲醇?找到甲醇的那个起点，在这里听到了那甲醇开始先进行第一个纪元反应，得到一碘甲烷，然后一碘甲烷顺着这个箭头进行第二步级原反应。看到了与催化剂继续反应到第三步的时候，在第四步的时候是不是又多了一个反应物?看到没有?这个反应物应该是谁啊?一氧化碳，所以反应物应该有两个，一个是甲醇，一个是氧化碳，然后接着往后反应到第五步。第五步之后得到第六步，最终指出来了生成物，所以生成物是后边这个物质，那也就是说 b 选项反应物是甲醇与一氧化碳生成物是不是就是黑板上这个物质?所以 b 是正确的。好，那 c 选项为什么不对呢?他当时在最上面的那个时候，他最上面他的承接数目是四根，对吧?四根框架线，那在下边的这些化合物里边它的常见数据数目是几个呀? 6 根共架键，对吧?来说它周围有几根共架键，那所以说它的成件数目是发生了改变的。所以 c 是错的，所以这个题的答案选的是c，那 a 选项这个物质在反应的过程中先是生成，是不是继续又被消耗了?对，那这种物质我们就叫做中间产物，一直在循环的叫催化剂，它反应了有声消化的，那就叫中间产物。所以这个题的选c。好，通过这节课的学习，我们来思考一下在工业生产中我们应该考虑的问题。

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　　首先从一个反应的角度，我们需要考虑反应的速率以及反应的产率。那么从实际的工业运作中，我们需要考虑成本、安全还有设备等等方面。最后我们会发现在不同的浓度以及催化剂的条件下，我们可以得到不同的结果。当然温度的高低也会影响这个速率和平衡，在表格里边有一句话叫做兼顾速率与平衡。看到这句话了，嗯，所以说遇到任何一个问题我们都要辩证的去考虑。好，那这节课我们的内容就上到这，下课之后请同学们完成课后作业。好，下课起立。好了，老师再见。好，谢谢。