学年度高中化学第2章化学反应的方向限度与速率24化学反应条件的优化工业合成氨教案.docx

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学年度高中化学第2章化学反应的方向限度与速率24化学反应条件的优化工业合成氨教案

——教学资料参考参考范本——

2019-2020学年度高中化学第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——工业合成氨教案

______年______月______日

____________________部门

教学目标

知识与技能:

1.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；

2.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；

3.通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。

过程与方法:

在化学反应的方向、限度、速率等理论为指导的基础上带领学生选择适宜的反应条件，引导学生考虑合成氨生产中动力、设备、材料生产效率等因素，寻找工业合成氨生产的最佳条件。

情感、态度与价值观:

认识化学反应原理在工业生产中的重要作用，提升学生对化学反应的价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。

教学重点：

应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。

教学难点：

应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。

教学过程：

【提问】影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些？

【学生】回答

【注意】催化剂只能改变化学反应速率，不能改变化学平衡状态。

【教师】今天这节课我们就看看如何利用化学反应的有关知识将一个化学反应实现工业化，我们以工业合成氨为例。

首先我们看看合成氨的有关背景。

【投影】展示弗里茨·哈伯的图像

【投影】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，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。

【投影并讲解】

【交流·研讨】P65

合成氨反应是一个可逆反应:

N2（g）+3H2（g）2NH3（g）

已知298K时:

△H=-92.2KJ·mol—1，△S=-198.2J·K—1·mol—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4.1×106（mol·L—1）—2

【学生】假设△H和△S不随温度变化，算得T<465.2K。

【提问】观察合成氨的化学反应，说明合成反应的特点：

【投影】N2（g）+3H2（g）2NH3（g）△H＝-92.2kJ/mol

（1体积）（3体积）（2体积）

【学生】①可逆反应②熵减小的反应③正反应气态物质系数减小④正反应是放热反应

【板书】第四节　　化学反应条件的优化——工业合成氨

一、合成氨反应的限度

【交流·研讨】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。

P65

【投影】

【学生回答】降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为1：

3时平衡混合物中氨的含量最高。

【板书】二、合成氨反应的速率

【交流·研讨】P66

1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？

2、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:

ν=κC（N2）C1.5（H2）C—1（NH3），请你根据关系式分析：

各物质的浓度对反应速率有哪些影响？

可以采取哪些措施来提高反应速率？

3、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

条件

△E/KJ/mol

k（催）/k（无）

无催化剂

335

3.4×1012（700k）

使用Fe催化剂

167

【学生回答】

1.升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂

2.增大N2、H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去

3.使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。

【板书】三、合成氨的适宜条件

【投影】合成氨的适宜条件的选择

外界条件

使NH3生产得快

使NH3生产得多

速率分析

平衡分析

压强

高压

高压

温度

高温

低温

催化剂

使用

无影响

反应物的浓度

增大浓度

增大浓度

生成物氨的浓度

减小浓度

减小浓度

【交流·研讨】

研讨的内容

研讨的问题

研讨的结构

1、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

温度怎么选择？

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？

要不要用催化剂？

【分析】1、压强怎么选？

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。

【结论】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。

【分析】2、温度怎么选择？

①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。

②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。

③催化剂要在一定温度下催化活性最大。

【结论】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）。

【分析】3、用不用催化剂？

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。

【结论】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】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。

【结论】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。

【投影】研讨的结果

外部条件

工业合成氨的适宜条件

压强

根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强

温度

适宜温度700K左右

催化剂

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

【板书】合成氨的方程式（注意条件）

【小结】

【教师小结】

工业上利用某可逆反应生产产品：

1、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；

2、选择合适的温度：

该温度是催化剂活性最大的温度；

3、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。

【教师】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；

20xx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。

【投影】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10—20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。

2.化学模拟生物固氮

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。

3.超声波固氮：

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。

【迁移应用】P70、2

工业制造硫酸的主要反应为:

2SO2（g）+O2（g）===2SO3（g）△H=-197.8KJ/mol①

SO3（g）+H2O（l）===H2SO4（aq）②

反应①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.

【投影材料】已知2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）△H＜0其实验数据见表

（1）应选用的温度是450℃。

（2）应采用的压强是常压，理由是因为常压下SO2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。

（3）在生产中，通入过量空气的目是。

（4）原料气必需净化的原因是。

（5）尾气中有SO2必须回收是为了。

板书设计

第四节　　化学反应条件的优化——工业合成氨

一、合成氨反应的限度

二、合成氨反应的速率

ν=κC（N2）C1.5（H2）C—1（NH3）

三、合成氨的适宜条件

1、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；

2、选择合适的温度：

该温度是催化剂活性最大的温度；

3、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。