第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨

1、榆林市蘇州中學(xué)理化生課時計劃 科目 化學(xué) 年級 高二 學(xué)期 二 設(shè)計者 總課時 課 題第4節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨第 章第 課 共 課時課 型新課檢查記錄初備年月日復(fù)備年月日年月日年月日教學(xué)目標知識與技能：、了解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件；、了解應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法，體驗實際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異；、通過對合成氨適宜條件的分析，認識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的控制在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。過程與方法：在化學(xué)反應(yīng)的方向、限度、速率等理論為指導(dǎo)的基礎(chǔ)上帶領(lǐng)學(xué)生選擇適宜的反應(yīng)條件，引導(dǎo)學(xué)生考慮合成氨生產(chǎn)中動力、設(shè)備、材料生產(chǎn)效率等因素，尋

2、找工業(yè)合成氨生產(chǎn)的最佳條件。情感態(tài)度與價值觀：認識化學(xué)反應(yīng)原理在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，提升學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的價值的認識，從而贊賞化學(xué)科學(xué)對個人生活和社會發(fā)展的貢獻。重點難點應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理選擇合成氨的適宜條件。教學(xué)方法講授、分析、歸納教學(xué)準備多媒體課件、學(xué)習(xí)資源蘇州中學(xué)理化生活頁教案 第1頁教學(xué)過程教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖【提問】影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些？【注意】催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)速率，不能改變化學(xué)平衡狀態(tài)。【教師】今天這節(jié)課我們就看看如何利用化學(xué)反應(yīng)的有關(guān)知識將一個化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)工業(yè)化，我們以工業(yè)合成氨為例。首先我們看看合成氨的有關(guān)背景?！就队啊空故靖ダ锎墓?/p>

3、的圖像【投影】弗里茨哈伯與合成氨合成氨從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了約150年的時間。德國科學(xué)家哈伯在10年的時間內(nèi)進行了無數(shù)次的探索，單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑，2年間他們就進行了多達6500次試驗，測試了2500種不同的配方，最后選定了一種合適的催化劑，使合成氨的設(shè)想在1913年成為工業(yè)現(xiàn)實。鑒于合成氨工業(yè)的實現(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院于1918年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學(xué)獎?！就队安⒅v解】化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動力學(xué)化學(xué)反應(yīng)的方向化學(xué)反應(yīng)的限度化學(xué)反應(yīng)的速率工藝流程化學(xué)工藝學(xué)高壓對設(shè)備材質(zhì)、加工制造的要求、溫度的催化劑活性的影響等合成氨反應(yīng)能否自發(fā)怎樣能促使化學(xué)反應(yīng)向合成氨方向移動怎樣能提高合成氨反應(yīng)速

4、率適宜的合成氨條件【交流研討】P65 合成氨反應(yīng)是一個可逆反應(yīng): N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時: H= -92.2KJmol1 ， S = -198.2JK1mol1請根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進行？298K下合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)K為4.1106（molL1)2【學(xué)生】假設(shè)H和S不隨溫度變化，算得T465.2K ?！咎釂枴坑^察合成氨的化學(xué)反應(yīng)，說明合成反應(yīng)的特點：【投影】N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol(1體積) (3體積) (2體積)【板書】第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨一、合成氨反應(yīng)的限度【交流

5、研討】請利用化學(xué)平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成。P65【投影】NH3%0.60.50.40.30.20.11：1 1：2 1：3 1：4 1：5 1：6n(N2):n(H2)【板書】二、合成氨反應(yīng)的速率【交流研討】P66 1、你認為可以通過控制那些反應(yīng)條件來提高合成氨反應(yīng)的速率？2、實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為: =C(N2)C1. 5(H2)C1(NH3) ， 請你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃度對反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？3、請你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響：條件 E /KJ/molk(催)/k

6、(無)無催化劑3353.41012(700k)使用Fe催化劑167催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響【學(xué)生回答】1.升高溫度 增大壓強 增大反應(yīng)物濃度 使用催化劑2.增大N2、H2濃度,將氨及時從混合氣中分離出去3.使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍?！景鍟咳?、合成氨的適宜條件【投影】合成氨的適宜條件的選擇外界條件使NH3生產(chǎn)得快使NH3生產(chǎn)得多速率分析平衡分析壓強高壓高壓溫度高溫低溫催化劑使用無影響反應(yīng)物的濃度增大濃度增大濃度生成物氨的濃度減小濃度減小濃度【交流研討】研討的內(nèi)容研討的問題研討的結(jié)構(gòu)1、既然增大壓強既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好？壓強

7、怎么定？2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好溫度怎么選擇？3 、催化劑對化學(xué)平衡的移動沒有影響， 在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑，為什么？要不要用催化劑？【分析】1、壓強怎么選？合成氨反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應(yīng)，增大壓強既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強越大越好。 但是壓強越大，對設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動力大，因此選擇壓強應(yīng)符合實際科學(xué)技術(shù)。【結(jié)論】綜合以上兩點:根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標來選擇壓強?！痉治觥?、溫度怎么選擇？因為正反應(yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫度有利于平衡正向移動。 可是溫度越低，反應(yīng)速率

8、越小，達到平衡所需要的時間越長，因此溫度也不宜太低。催化劑要在一定溫度下催化活性最大?！窘Y(jié)論】綜合以上因素:實際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）?！痉治觥?、用不用催化劑？經(jīng)濟效益和社會效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快， 原料的利用率要高，單位時間的產(chǎn)量要高?！窘Y(jié)論】實際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在700K時活性最高?！痉治觥?、濃度怎么定？ N2和H2的比例怎么定？增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮氣和氫氣的物質(zhì)的量比為1：3時，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實驗測得適當提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)

9、的量比為1：2.8時，更能促進氨的合成。【結(jié)論】實際生產(chǎn)中的處理方法：及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；及時將氮氣和氫氣循環(huán)利用，使其保持一定的濃度?！就队啊垦杏懙慕Y(jié)果外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標來選擇壓強溫度適宜溫度 700K左右催化劑使用鐵觸媒作催化劑濃度N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8的投料比, 氨及時從混合氣中分離出去【板書】合成氨的方程式（注意條件）【教師小結(jié)】工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品： 1、一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟效益； 2、選擇合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度； 3、選擇合適的壓強

10、：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要考慮動力、材料、設(shè)備等?！窘處煛课覈铣砂惫I(yè)的發(fā)展情況： 解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠； 1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸； 2000年達到3363.7萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。擁有多種原料、不同流程的大、中、小合成氨廠1000多家。【投影】合成氨的工業(yè)前景1、催化劑合成氨的鐵催化劑 這一類合成氨催化劑以還原鐵為催化劑主要活性成分，并摻加 各種促進劑和載體的催化劑.促進劑：稀土金屬及其氧化物關(guān)于稀土金屬及其氧化物的作用，我國也進行了一些研究。國外也報 道了一些含釤、鋯、鈀、銠的催化劑研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)稀土金屬及其氧化物是對氨合成非常有效的

11、促進劑。我國有豐富的鈦、鋯、鈮等稀有金屬資源，因此， 以稀有金屬氧化物為促進劑，有希望成為我國改進工業(yè)合成氨的鐵催化劑的研究方向之一。 合成氨的釕催化劑合成氨熔鐵型催化劑要在高溫、高壓和耗能高的苛刻條件下使用，且催化劑的活性并不是很高。而合成氨的釕催化劑可能是一種較好的催化劑。它在低溫低壓下活性很高，常壓下比合成氨的鐵催化劑的活性高1020倍，且對水、CO和CO2不敏感，但合成氨的釕催化劑在高壓下未必比合成氨的鐵催化劑來得優(yōu)越。2.化學(xué)模擬生物固氮現(xiàn)在，世界上好多國家（包括我國）的科學(xué)家，都在研究模擬生物固氮，即尋找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由兩種蛋白質(zhì)組成。一種蛋白質(zhì)（二氮酶）的分

12、子量約22萬，含有兩個鉬原子、32個鐵原子和32個活性硫原子；另一種蛋白質(zhì)（二氮還原酶）是由兩個分子量為29000的相同亞基構(gòu)成的，每個亞基含有4個鐵原子和4個硫原子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些金屬有機化合物有可能作為可溶性的固氮催化劑。 3.超聲波固氮：氮氣在通常狀態(tài)下十分穩(wěn)定，一般難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在超聲波作用下，可以使氮分子中的化學(xué)鍵削弱，從而在較溫和的條件下就可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在室溫下用超聲波輻射溶有空氣的飽和水溶液后，可以測到處理過的水中含有亞硝酸、硝酸等；如果處理溶有氮氣、氫氣和一氧化碳的飽和水溶液，可以測到甲醛、氫氰酸和咪唑等物質(zhì)，這些實驗對人工固氮的研究提供了一條新的途徑。 【遷移應(yīng)用】P

13、70、2工業(yè)制造硫酸的主要反應(yīng)為:2SO2(g) + O2(g) = 2SO3(g) H=-197.8 KJ/mol SO3(g) + H2O(l) = H2SO4 (aq) 反應(yīng)的平衡常數(shù)K隨溫度升高而減小.所用催化劑的主要成分為V2O5(6-12) 、K2SO4(17-20) 、SiO2(50-70),能使催化劑中毒的物質(zhì)有砷、硒、氟等.請根據(jù)以上信息討論二氧化硫氧化反應(yīng)的工藝條件(溫度 、壓強、原料氣配比等)對工業(yè)生產(chǎn)硫酸的影響.【投影材料】已知2SO2(g)+O2(g)2SO3 (g) H0其實驗數(shù)據(jù)見表（1）應(yīng)選用的溫度是 450 。（2）應(yīng)采用的壓強是 常壓 ，理由是 因為常壓下S

14、O2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強，SO2的轉(zhuǎn)化率提高很少，但需要的動力更大，對設(shè)備的要求更高 。（2）在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目是 。（4）原料氣必需凈化的原因是 。 (5)尾氣中有SO2必須回收是為了 。集體回答了解合成氨工業(yè)的發(fā)展歷程思考：為什么合成氨工業(yè)發(fā)展緩慢？從化學(xué)反應(yīng)方向的判據(jù)來判斷合成氨反應(yīng)在298K下能否自發(fā)進行回答合成氨反應(yīng)的特點：可逆反應(yīng) 熵減小的反應(yīng) 正反應(yīng)氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小 正反應(yīng)是放熱反應(yīng)思考：從平衡移動原理的角度分析提高產(chǎn)率的方法回答：降低溫度、增大壓強有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動，N2、H2體積比為 1：3 時平衡混合物中氨的含量最高。學(xué)習(xí)從提高反應(yīng)速率角度提出方法回答、對比、交流思考問題、帶著問題自學(xué)閱讀教材，明確工業(yè)合成氨條件選擇的立足點和合成氨反應(yīng)的適宜條件復(fù)習(xí)舊知識，導(dǎo)入新課通過對合成氨工業(yè)的艱難發(fā)展，學(xué)習(xí)科學(xué)家不懈探究的精神。復(fù)習(xí)、回顧化學(xué)平衡移動原理復(fù)習(xí)影響化學(xué)反應(yīng)速率的外界條件，為學(xué)習(xí)下面內(nèi)容做鋪墊培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，了解化工生產(chǎn)必須考慮的問題，以及理論和實