工业合成氨教案.docx

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工业合成氨教案

工业合成氨教案

信息化教学设计

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学科

化学

年级

高二

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教学设计

教学主题

工业合成氨

一、教材分析

本章教材前三节教材内容安排的是化学反应的方向和限度，化学反应速率的知识，分别从化学热力学角度介绍化学反应方向的判据以及浓度、温度等外界条件对化学平衡的影响，从化学动力学角度介绍影响化学反应速率的因素并进行定量研究和理性分析。

而在实际生产中，从化学热力学角度实现高转达化率所需的条件往往与从化学动力学角度实现高速率所需的条件相互矛盾。

为了以较高速率获得较好的转化率，人们通常对这两方面的研究结果进行综合分析，即进行反应条件的优化。

本节内容就是对前两部分知识的综合应用，以工业合成氨为例探究化学反应条件优化的选择方法，体现化学反应的方向、限度、速率等理论在优化选择化学反应条件方面的作用，初步尝试利用理论分析化工生产中的实际问题，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；再结合生产中的数据向学生介绍合成氨的实际生产条件，对合成氨的适宜条件进行选择，使他们在解决实际问题的过程中提升对化学反应的价值的认识；课堂中通过“动手”“动脑”“动口”等师生互动的方法来完成教与学的任务，达成教与学的目标。

二、学生分析

学生在前面的学习中，对化学平衡理论和化学反应速率理论有了一定程度的认识。

经过高中一年的训练，学生善于质疑、主动思考、积极获取知识的学习习惯已基本养成，参与意识、合作意识已有较明显提高。

他们正处于生理的高速发展期，认识能力和知识水平都达到了较高的层次，他们正经历着从习惯于感性思维、形象思维向更加关注理性思维、抽象思维的转轨期，所以在教学中注意引导学生分析、讨论，使他们的认识过程从直观的体验和想象上升到理性的思维阶段。

三、教学目标

1、能够运用化学反应速率影响因素和化学平衡移动规律分析合成氨等反应的工业生产的最佳条件

2、认识对化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用

3、体会选择化工生产适宜条件时需要综合考虑多种因素

四、教学环境

□简易多媒体教学环境□交互式多媒体教学环境□网络多媒体环境教学环境□移动学习□其他

五、信息技术应用思路（突出三个方面：

使用哪些技术？

在哪些教学环节如何使用这些技术？

使用这些技术的预期效果是？

）200字

本节课利用视频、音频等丰富的资源，充分利用多媒体教学资源，以工业合成氨条件发展的历史为主线，充分调动学生的兴趣，进而引导学生利用已有的速率、限度知识讨论如何合理地选择工业合成氨的条件。

而实际生产中又是如何选择合成氨的条件呢？

还要考虑哪些因素呢?

使学生能够明确理论的应用中还要考虑设备、成本等多种因素，培养学生解决实际问题的能力。

六、教学流程设计（可加行）

教学环节

教师活动

学生活动

信息技术支持（资源、方法、手段等）

创

设

情

境

穿

越

历

史

判断合成氨反应能否自发进行

【引入】19世纪初，人们就认识到氮肥在农业中的巨大作用。

当时含氮化合物主要来自智利的硝酸钠矿，有限的矿产资源使得含氮化合物的价格十分高，不能满足工农业的需要。

大气的五分之四都是氮，固氮，成为一项受到众多科学家关注重大课题。

【播放音频】资料一

1900年，法国化学家勒夏特列通过理论计算，认为氮气和氢气可以直接化合生成氨。

在实验验证过程中发生了爆炸,他并没有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险就放弃了。

后来查明实验失败的原因是他所用的混合气体中含有氧气。

稍后，德国物理化学家能斯特通过理论计算，竟然认为合成氨是不能进行的。

后来才发现，他在计算时误用一个热力学数据，以致得到错误的结论。

由于能斯特在物理化学领域的权威性，人工合成氨的研究陷入低潮。

哈伯没有盲从权威，而是依靠实验来检验，终于证实了能斯特的计算错误，合成氨反应是能发生的。

【请你算一算】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。

聆听，了解合成氨化学史

学生计算：

△H-T△S

=-92.2kJ·mol-1-298K×（-0.1982kJ·K-1·mol-1）＜0

298K时，合成氨反应是可以自发进行的。

音频

多媒体

帮助哈伯走出困境

合成氨反应的限度

合成氨反应的速率

【播放音频】资料二

哈伯经过多次实验，发现：

在高温条件下这个反应会进行。

但是，他还发现：

当温度升高到1000℃时，氨的产率仅为0.012%，还不如低温时的产率；降低反应温度时，反应却又变得十分缓慢。

哈伯的研究陷入困境。

【活动探究】请同学们根据合成氨反应的特点，利用影响化学平衡移动的因素，分析什么条件有利于氨的合成？

【板书】一、合成氨反应的限度

【讲述】如图2-4-3所示，在不同反应温度、压强下反应达平衡时，平衡混合物中氨含量的测定结果与上述理论分析结果一致。

进一步研究发现，在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为1：

3时平衡混合物中氨的含量最高。

【过渡】在寻找最佳的生产条件时，除了考虑反应的限度时，还需要研究采取哪些措施来提高化学反应速率。

【板书】二、合成氨反应的速率

【交流·研讨】

1、结合影响反应速率的因素，思考什么条件能提高合成氨反应的速率？

2、实验表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系为v=kc（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：

【补充】除此之外，温度对合成氨反应的速率也有显著影响：

温度越高，反应进行得越快。

学生讨论分析反应特点：

合成氨反应为放热、气态物质系数减少的可逆反应。

学生讨论回答：

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的体积比为1：

3时平衡混合物中氨的含量最高。

学生观看图2-4-3进行分析。

学生分析回答：

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、分析下表所给的数据使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。

表2-4-1

音频

多媒体

质

疑

哈

伯

回到现实

生产实际选择合成氨的适宜条件

【播放音频】资料三

1905年底，哈伯确定了氮气和氢气的混和气体在高温高压及催化剂的作用下合成氨。

但什么样的高温和高压条件最佳？

以什么样的催化剂最好？

经过四年几千次的实验和计算，哈伯终于在1909年取得了鼓舞人心的成果，这就是在550℃的高温、20MPa和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为6.25％的合成氨。

【设疑】

1、增大压强既能增加反应速率又能提高氨的产量，为什么不采用更高的压强？

2、哈伯选择的温度为什么是550℃左右，而不是更高或者更低的温度呢？

【讲述】工业上选择适宜化工生产条件要坚持的原则:

1、既要注意外界条件对化学反应速率和化学反应的限度影响的一致性,又要注意对化学反应速率和化学平衡影响的矛盾性；

2、既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制；

3、既要注意理论上的需要，又要注意实践中的可能性。

【板书】三、合成氨的适宜条件

【交流·研讨】根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？

请将你的建议填入下表。

在合成氨生产中，达到高转化率与高反应速率所需要的条件有时是相互矛盾的。

由理论分析再结合生产实际（高压对设备材质、加工制造的要求和所需能耗多少、温度对催化剂活性的影响等）讨论：

⑴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？

⑵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？

【讲述】因此，选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。

此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。

【总结】合成氨的适宜条件：

选择铁做催化剂；反应温度在700K左右；根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压（1×107Pa）、中压（2×107～３×107Pa）和高压（8.5×107～1×108Pa）三种类型；n（N2）：

n（H2）=1：

2.8。

【视频：

知识前沿】化学模拟生物固氮

根瘤菌，生物固氨。

常温常压下进行。

成本低、转化率高、效率高。

模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产，借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。

学生讨论后完成课

本67页表格

⑴低温虽然有利于平衡向生成氨的方向移动，但低温时反应速率低，所以生产中温度不是越低越好。

考虑到催化剂活性，应选择适宜的温度。

⑵虽然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，但是我们应该考虑到反应器材质及综合指标来选择压强，并非是越大越好。

总结：

压强怎么选？

温度怎么定？

用不用催化剂?

浓度怎么定？

N2和H2的比例怎么定？

音频

多媒体

视频

多媒体

课堂小结

结合理论依据和生产实际，适宜的合成氨条件为：

铁催化剂，700K，根据反应器选择压强，n（N2）：

n（H2）=1：

2.8

迁移应用

请你当硫酸厂厂长，为2SO2（g）+O2（g）

2SO3（g）△H＜0选择适宜的条件。

解决问题

课堂练习

【大屏幕】1、氨的合成反应，生产中采用的适宜条件是（）。

A、低温、高压、适当的催化剂

B、高温、常压

C、尽可能高温、高压

D、适当的温度、适当的高压、适宜催化剂

2、在合成氨工业中，为增加氨的日产量，下列变化过程中不能使平衡向右移动的是（）

A、不断将氨分离出来

B、使用催化剂

C、采用5000C左右的温度

D、采用2×107～5×107Pa的压强

学生思考、回答

1、选D

2、选B

七、教学特色（如为个性化教学所做的调整，为自主学习所做的支持、对学生能力的培养的设计，教与学方式的创新等）200字左右

本节课利用视频、音频等丰富的资源，以工业合成氨条件发展的历史为主线，充分调动学生的兴趣，进而引导学生利用已有的速率、限度知识讨论如何合理地选择工业合成氨的条件。

而实际生产中又是如何选择合成氨的条件呢？

还要考虑哪些因素呢?

使学生能够明确理论的应用中还要考虑设备、成本等多种因素，培养学生解决实际问题的能力。