6.3 化工生產(chǎn)能否做到又快又多.doc

資源信息表標(biāo)題：工業(yè)制硫酸 合成氨的適宜條件關(guān)鍵詞：硫酸的工業(yè)生產(chǎn) 合成氨的適宜條件 勒夏特列原理化學(xué)平衡移動(dòng)原理 弗立茨哈伯描述：本課是在學(xué)習(xí)了化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的基礎(chǔ)上，了解簡(jiǎn)單的工業(yè)制硫酸和合成氨的生產(chǎn)過程。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)原理等理論對(duì)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用，使學(xué)生懂得工業(yè)生產(chǎn)中提高經(jīng)濟(jì)效益必須依靠科學(xué)和技術(shù)。學(xué)科：化學(xué)高一年級(jí)第二學(xué)期（試用本）上科版第六章第三節(jié) 作者：王延琴單位上海市繼光高級(jí)中學(xué)地址：上海市高陽(yáng)路690號(hào)Email：6.3 化工生產(chǎn)能否做到又快又多（共一課時(shí)）設(shè)計(jì)思想本節(jié)教材體現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)速率和勒夏特列原理等理論對(duì)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用，同時(shí)在運(yùn)用理論的過程中，也可進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論的理解。本節(jié)課的教學(xué)分為兩部分：第一部分主要簡(jiǎn)單了解接觸法制硫酸的工業(yè)原理及其生產(chǎn)過程。第二部分可作為重點(diǎn)，通過討論，引導(dǎo)學(xué)生充分運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和勒夏特列原理等知識(shí)，并考慮合成氨生產(chǎn)中動(dòng)力、設(shè)備、材料等實(shí)際情況，合理地選擇合成氨適宜的生產(chǎn)條件。此外，在教學(xué)中，使學(xué)生建立化工生產(chǎn)條件的選擇應(yīng)以提高綜合經(jīng)濟(jì)效益和減少環(huán)境污染為目的的思想。一教學(xué)目標(biāo)1、知識(shí)與技能 工業(yè)生產(chǎn)上（合成氨、制硫酸）反應(yīng)條件的選擇依據(jù)（B）2、過程與方法（1）通過制硫酸、合成氨工業(yè)生產(chǎn)的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)化學(xué)原理在化工生產(chǎn)中的重要應(yīng)用。（2）通過制硫酸、合成氨生產(chǎn)中動(dòng)力、設(shè)備等條件的討論，認(rèn)識(shí)工業(yè)生產(chǎn)上反應(yīng)條件的選擇依據(jù)。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀感悟化學(xué)原理對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用，并懂得一定的辯證思維和邏輯思維。二教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1、重點(diǎn) 硫酸工業(yè)生產(chǎn)過程；選擇合成氨適宜的生產(chǎn)條件2、難點(diǎn)選擇合成氨適宜的生產(chǎn)條件三教學(xué)用品多媒體、實(shí)物投影儀四教學(xué)流程 引入課題 學(xué)生活動(dòng)1閱讀思考師生互動(dòng)1分析數(shù)據(jù)學(xué)生活動(dòng)2尋找規(guī)律 歸納小結(jié)1 歸納小結(jié)2 小結(jié)介紹哈伯的故事師生互動(dòng)2分析數(shù)據(jù)學(xué)生活動(dòng)5思考問題學(xué)生活動(dòng)3分析反應(yīng)特點(diǎn)學(xué)生活動(dòng)4匯報(bào)結(jié)果 1、流程圖2、流程說(shuō)明引入課題： 展現(xiàn)課題，明確化工生產(chǎn)所要關(guān)注的問題。學(xué)生活動(dòng)1：閱讀課本62頁(yè)相關(guān)內(nèi)容。引出硫酸工業(yè)生產(chǎn)原理。應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析提高二氧化硫轉(zhuǎn)化率的可能途徑。師生互動(dòng)1：共同分析表1。表1轉(zhuǎn)化率 ()溫度壓強(qiáng)（101kpa）1510255010040099.299.699.799.999.999.945097.598.999.299.599.699.750093.596.997.898.699.099.355085.692.994.996.797.798.3學(xué)生活動(dòng)4：學(xué)生匯報(bào)（表2）。表2使氨生產(chǎn)得快（從化學(xué)反應(yīng)速率分析）使氨生成得多（從化學(xué)平衡分析）濃 度增大N2、H2的濃度增大N2、H2的濃度，減小NH3的濃度壓 強(qiáng)高壓高壓溫 度高溫低溫催化劑使用不影響師生互動(dòng)2：共同分析教材64頁(yè)“資料庫(kù)”，通過數(shù)據(jù)分析理解合成氨中溫度選擇的因素。 歸納小結(jié)2：表3合成氨中理論和實(shí)際生產(chǎn)條件的對(duì)比。表3 理論和實(shí)際生產(chǎn)條件的對(duì)比濃 度壓 強(qiáng)溫 度催化劑理論生產(chǎn)為增大合成氨的反應(yīng)速率增加N2、H2的濃度增大升高加入為提高平衡混合物中NH3的含量減小平衡混合物中NH3的濃度增大降低實(shí)際生產(chǎn)使氣態(tài)NH3變?yōu)橐簯B(tài)NH3，從平衡混合物中分離出去，并及時(shí)補(bǔ)充N2、H2。20 MPa50 MPa500左右鐵觸媒（500左右時(shí)活性最大）六、教學(xué)案例1、教學(xué)過程教學(xué)內(nèi)容教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖工業(yè)制硫酸問題情景我們已學(xué)習(xí)了有關(guān)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡等知識(shí)，那它們?cè)诨どa(chǎn)實(shí)踐中又有怎樣的應(yīng)用呢？思考展現(xiàn)標(biāo)題“化工生產(chǎn)能否做到又快又多”，其中“快”和“多”分別體現(xiàn)的是工業(yè)生產(chǎn)哪兩方面的要求？ 引入課題這就是化工生產(chǎn)中所需要兼顧的兩方面問題。那具體又是如何實(shí)現(xiàn)這兩者對(duì)立統(tǒng)一的？下面我們選擇兩種常見的化工生產(chǎn)來(lái)加以討論。 閱讀指導(dǎo)學(xué)生閱讀課本62頁(yè)相關(guān)內(nèi)容。思考討論 哪些物質(zhì)可作為制取二氧化硫的原料？哪種原料最好？并簡(jiǎn)述理由。 為什么我國(guó)目前仍然采用硫鐵礦作為制取二氧化硫的原料？ 若用硫鐵礦為原料制取硫酸，寫出每一步的化學(xué)方程式，并標(biāo)出化學(xué)方程式中電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目。教師歸納從上述問題中我們得出硫酸工業(yè)制法的主要流程。由于二氧化硫的轉(zhuǎn)化是在催化劑表面接觸反應(yīng)，故名“接觸法”。思考討論 為什么要將礦石粉碎成很細(xì)的粉末？ 仔細(xì)分析沸騰爐的結(jié)構(gòu)，說(shuō)明它是怎樣使反應(yīng)物充分接觸的？ 在二氧化硫的轉(zhuǎn)化反應(yīng)中，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析提高二氧化硫轉(zhuǎn)化率的可能途徑。師生互動(dòng)教師展示表1，然后師生共同分析數(shù)據(jù)，明確實(shí)際化工生產(chǎn)條件選擇的依據(jù)。師生小結(jié)由此可見，化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)原理，是化工生產(chǎn)中選擇適宜反應(yīng)條件的重要依據(jù)。學(xué)生回答：速率和產(chǎn)量。學(xué)生閱讀、討論。學(xué)生歸納出：制取二氧化硫可選用硫磺、硫鐵礦等為原料。用硫磺更好，工藝要求較簡(jiǎn)單。學(xué)生回答：這是因?yàn)槲覈?guó)硫磺資源不如硫鐵礦充足，而且在可作為制取二氧化硫的其他原料中硫鐵礦的含硫量較高。學(xué)生書寫、練習(xí)。學(xué)生回答：增大反應(yīng)面積，加快化學(xué)反應(yīng)速率。學(xué)生回答：高壓、低溫。分析數(shù)據(jù)，尋找規(guī)律。直接切入主題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生明確化工生產(chǎn)所要關(guān)注的問題，為下面學(xué)習(xí)做好鋪墊。培養(yǎng)學(xué)生閱讀能力培養(yǎng)學(xué)生分析、評(píng)價(jià)問題的能力。通過師生互動(dòng)、討論，逐步引出工業(yè)制硫酸的原理。培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題能力。激發(fā)認(rèn)知沖突，樹立全盤考慮問題的意識(shí)。再次明確化工生產(chǎn)所要關(guān)注的問題。合成氨的適宜條件思考工業(yè)上通過什么途徑獲取氨氣？教師介紹合成氨的重要意義。思考如何選擇合成氨的適宜條件？ 合成氨的反應(yīng)有什么特點(diǎn)？（教師指導(dǎo)學(xué)生分析、總結(jié)。） 如果我們是企業(yè)家，要提高合成氨的經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)采取什么措施？教師對(duì)學(xué)生提出的見解進(jìn)行評(píng)價(jià)。思考怎樣改變條件加快合成氨的反應(yīng)速率？ 怎樣改變條件能提高氨在平衡混合物中的百分含量？投影：討論結(jié)果思考： 既然增大壓強(qiáng)可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好呢？ 顯然，從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個(gè)方面考慮，對(duì)壓強(qiáng)要求是一致的，而對(duì)溫度的要求是矛盾的。怎樣解決這個(gè)矛盾？師生互動(dòng)：師生共同分析教材64頁(yè)資料庫(kù)，通過數(shù)據(jù)分析理解合成氨中溫度選擇的因素。投影表3。小結(jié)我們除了從反應(yīng)原理方面分析外，還要從材料和設(shè)備方面分析才能確定合成氨工業(yè)的適宜條件。教師介紹介紹哈伯尋找合適催化劑的故事。總結(jié)無(wú)論硫酸的生產(chǎn)還是合成氨的適宜條件的選擇，必須全面考慮問題，既注意外界條件對(duì)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響的一致性，又要注意其矛盾性，同時(shí)兼顧催化劑的活性對(duì)溫度的限制。也就是理論要聯(lián)系實(shí)際. 拓展延伸同學(xué)們，請(qǐng)?jiān)谡n后查閱資料，了解合成氨的過去、現(xiàn)在和未來(lái)，我們將在拓展型課上交流學(xué)習(xí)心得。學(xué)生閱讀并寫出合成氨的化學(xué)方程式。學(xué)生思考并嘗試回答，合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)：可逆反應(yīng)；正反應(yīng)為氣體體積縮小；正反應(yīng)為放熱反應(yīng)等。學(xué)生認(rèn)為：根據(jù)合成氨的特點(diǎn)，應(yīng)從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個(gè)角度來(lái)分析，要充分考慮經(jīng)濟(jì)效益問題。一要使反應(yīng)進(jìn)行得更快，二要使產(chǎn)品的產(chǎn)量更多。學(xué)生討論。匯報(bào)討論結(jié)果（表2）。學(xué)生回答：需要考慮設(shè)備的承壓能力。分析數(shù)據(jù)。完成65頁(yè)思考與討論明確合成氨工業(yè)的重要性。在討論中進(jìn)一步鞏固知識(shí)。轉(zhuǎn)換角色，激發(fā)興趣。深化對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。引起矛盾，解決實(shí)際問題。明確合成氨工業(yè)條件選擇依據(jù)。引發(fā)學(xué)生對(duì)人類生存問題的關(guān)注。2、主要板書6.3 化工生產(chǎn)能否做到又快又多一、工業(yè)制硫酸4FeS2+11O2 2Fe2O3+8SO2（沸騰爐）2SO2+O2 2SO3 （接觸室）SO3+H2O H2SO4 （吸收塔）二、合成氨的適宜條件N2+3H2 2NH3加快速率：高壓、高溫、催化劑使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)：高壓、低溫生產(chǎn)實(shí)際：20MPa50MPa、500、鐵催化劑三、課的小結(jié)高溫高壓催化劑3、相關(guān)鏈接 合成氨原料氣的制取要生產(chǎn)合成氨，首先要制造含有氮、氫混合氣的原料氣。用于制造原料氣的原料可分為固體原料、液體原料和氣體原料三種。固體原料主要有煤和焦炭。將煤或焦炭放入半水煤氣發(fā)生爐里，交替通入空氣和水蒸氣，就可以得到半水煤氣。半水煤氣的有效成分是N2和H2，還含有CO、CO2和H2S等雜質(zhì)。半水煤氣經(jīng)凈化后，可做合成氨的原料氣。液體原料主要有原油、輕油、重油等。它們可用分子式CmHn表示。用水蒸氣和氧氣的混合氣體來(lái)氣化重油，可得到H2和CO。利用重油氣化法制取合成氨原料氣，是近代合成氨工業(yè)中的一個(gè)重要發(fā)展。常用的氣體原料有天然氣、油田氣、煉廠氣和焦?fàn)t氣等四種。在這些氣體原料中，天然氣用量最大。我國(guó)四川省有以天然氣為原料的大型合成氨廠。用天然氣制合成氨原料氣的方法很多，概括起來(lái)可分為四大類，即熱解法、水蒸氣轉(zhuǎn)化法、部分氧化法和綜合法。熱解法是在沒有觸媒的情況下，用高溫使天然氣中的甲烷受熱分解而制得氫氣的方法：CH4 2H2 + C水蒸氣轉(zhuǎn)化法是在700 900 的溫度下，使水蒸氣和甲烷通過鎳觸媒而起反應(yīng)：CH4+H2O CO+3H2部分氧化法是在950 左右和鎳觸媒的作用下，使甲烷進(jìn)行不完全氧化：2CH4 + O2 2CO+4H2綜合法是在制取乙炔的同時(shí)，副產(chǎn)合成氨原料氣。將天然氣和氧氣同時(shí)通入轉(zhuǎn)化爐中，高溫下使部分甲烷進(jìn)行燃燒，放出的熱使剩余的天然氣受熱后分解而生成乙炔和氫氣，分離后可得到氫氣。 2CH4 C2H2 + 3H2 合成氨的催化機(jī)理熱力學(xué)計(jì)算表明，低溫、高壓對(duì)合成氨反應(yīng)是有利的，但無(wú)催化劑時(shí)，反應(yīng)的活化能很高，反應(yīng)幾乎不發(fā)生。當(dāng)采用鐵催化劑時(shí)，由于改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)以顯著的速率進(jìn)行。目前認(rèn)為，合成氨反應(yīng)的一種可能機(jī)理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進(jìn)行化學(xué)吸附，使氮原子間的化學(xué)鍵減弱。接著是化學(xué)吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成NH、NH2和NH3，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨。上述反應(yīng)途徑可簡(jiǎn)單地表示為：xFe + N2 FexNFexN +H吸 FexNHFexNH +H吸 FexNH2FexNH2 H吸FexNH3 xFe+NH3在無(wú)催化劑時(shí)，氨的合成反應(yīng)的活化能很高，大約335 kJ/mol。加入鐵催化劑后，反應(yīng)以生成氮化物和氮?dú)浠飪蓚€(gè)階段進(jìn)行。第一階段的反應(yīng)活化能為126 kJ/mol167 kJ/mol，第二階段的反應(yīng)活化能為13 kJ/mol。由于反應(yīng)途徑的改變（生成不穩(wěn)定的中間化合物），降低了反應(yīng)的活化能，因而反應(yīng)速率加快了。 催化劑的中毒催化劑的催化能力一般稱為催化活性。有人認(rèn)為：由于催化劑在反應(yīng)前后的化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量不變，一旦制成一批催化劑之后，便可以永遠(yuǎn)使用下去。實(shí)際上許多催化劑在使用過程中，其活性從小到大，逐漸達(dá)到正常水平，這就是催化劑的成熟期。接著，催化劑活性在一段時(shí)間里保持穩(wěn)定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用?；钚员３址€(wěn)定的時(shí)間即為催化劑的壽命，其長(zhǎng)短因催化劑的制備方法和使用條件而異。催化劑在穩(wěn)定活性期間，往往因接觸少量的雜質(zhì)而使活性明顯下降甚至被破壞，這種現(xiàn)象稱為催化劑的中毒。一般認(rèn)為是由于催化劑表面的活性中心被雜質(zhì)占據(jù)而引起中毒。中毒分為暫時(shí)性中毒和永久性中毒兩種。例如，對(duì)于合成氨反應(yīng)中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。但利用純凈的氫、氮混合氣體通過中毒的催化劑時(shí)，催化劑的活性又能恢復(fù)，因此這種中毒是暫時(shí)性中毒。相反，含P、S、As的化合物則可使鐵催化劑永久性中毒。催化劑中毒后，往往完全失去活性，這時(shí)即使再用純凈的氫、氮混合氣體處理，活性也很難恢復(fù)。催化劑中毒會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。工業(yè)上為了防止催化劑中毒，要把反應(yīng)物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設(shè)備，提高成本。因此，研制具有較強(qiáng)抗毒能力的新型催化劑，是一個(gè)重要的課題。 化學(xué)模擬生物固氮的研究目前，化學(xué)模擬生物固氮的重要研究課題之一，是固氮酶活性中心結(jié)構(gòu)的研究。固氮酶由鐵蛋白和鉬鐵蛋白這兩種含過渡金屬的蛋白質(zhì)組合而成。鐵蛋白主要起著電子傳遞輸送的作用，而含二個(gè)鉬原子和二三十個(gè)鐵和硫原子的鉬鐵蛋白是絡(luò)合N2或其他反應(yīng)物（底物）分子，并進(jìn)行反應(yīng)的活性中心所在之處。關(guān)于活性中心的結(jié)構(gòu)有多種看法，目前尚無(wú)定論。從各種底物結(jié)合物活化和還原加氫試驗(yàn)來(lái)看，含雙鉬核的活性中心較為合理。我國(guó)有兩個(gè)研究組于19731974年間，不約而同地提出了含鉬鐵的三核、四核活性中心模型，能較好地解釋固氮酶的一系列性能，但其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還有待根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確化。國(guó)際上有關(guān)的研究成果認(rèn)為，溫和條件下的固氮作用一般包含以下三個(gè)環(huán)節(jié)：絡(luò)合過程。它是用某些過渡金屬的有機(jī)絡(luò)合物去絡(luò)合N2，使它的化學(xué)鍵削弱；還原過程。它是用化學(xué)還原劑或其他還原方法輸送電子給被絡(luò)合的N2，來(lái)拆開N2中的NN鍵；加氫過程。它是提供H+來(lái)和負(fù)價(jià)的N結(jié)合，生成NH3。目前，化學(xué)模擬生物固氮工作的一個(gè)主要困難是，N2絡(luò)合了但基本上沒有活化，或絡(luò)合活化了，但活化得很不夠。所以，穩(wěn)定的雙氮基絡(luò)合物一般在溫和條件下通過化學(xué)還原劑的作用只能析出N2，從不穩(wěn)定的雙氮絡(luò)合物還原制出的NH3的量相當(dāng)微少。因此迫切需要從理論上深入分析，以便找出突破的途徑。固氮酶的生物化學(xué)和化學(xué)模擬工作已取得一定的進(jìn)展，這必將有力地推動(dòng)絡(luò)合催化的研究，特別是對(duì)尋找催化效率高的合成氨催化劑，將是一個(gè)有力的促進(jìn)。六教學(xué)反思化學(xué)反應(yīng)速率和勒夏特列原理向來(lái)是化學(xué)基本理論教學(xué)中的重要內(nèi)容，如何應(yīng)用原理解決化工生產(chǎn)中的實(shí)際問題，并使學(xué)生了解選擇化工生