第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨第1課時(shí)工業(yè)合成氨一、知識目標(biāo)1.體會從限度的角度認(rèn)識和調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的重要性。2.了解控制反應(yīng)條件在生產(chǎn)和科學(xué)研究中的作用。3.認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要作用。二、核心素養(yǎng)目標(biāo)1.宏觀辨識與微觀探析：從宏觀上認(rèn)識合成氨反應(yīng)的條件對生產(chǎn)的影響，從微觀上理解化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的本質(zhì)。2.證據(jù)推理與模型認(rèn)知：通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的模型，推理出合成氨反應(yīng)的適宜條件。3.科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任：了解合成氨工業(yè)的發(fā)展歷程，認(rèn)識化學(xué)科學(xué)對社會發(fā)展的重要貢獻(xiàn)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感。一、教學(xué)重點(diǎn)1.從限度的角度認(rèn)識和調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的重要性。二、教學(xué)難點(diǎn)1.解控制反應(yīng)條件在生產(chǎn)和科學(xué)研究中的作用。2.綜合考慮反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，為合成氨生產(chǎn)選擇適宜的條件。本節(jié)教學(xué)內(nèi)容源于相關(guān)版本高中化學(xué)教材中《化學(xué)反應(yīng)原理》里第二章《化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率》的第4節(jié)《化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨》。這部分內(nèi)容是化學(xué)反應(yīng)原理知識的重要應(yīng)用，它將化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的理論知識與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合，對于學(xué)生深入理解化學(xué)反應(yīng)原理、培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要意義。教材以工業(yè)合成氨為載體，首先介紹了合成氨的歷史背景，引發(fā)學(xué)生對合成氨工業(yè)化生產(chǎn)困難的思考，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)限度和反應(yīng)速率兩個(gè)方面探究合成氨的反應(yīng)條件。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生明確溫度、壓強(qiáng)、濃度等因素對合成氨反應(yīng)的影響，最終確定合成氨生產(chǎn)的適宜條件。教材還通過知識拓展介紹了合成氨與三次諾貝爾化學(xué)獎以及我國科研團(tuán)隊(duì)在合成氨催化劑方面的成果，體現(xiàn)了化學(xué)科學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用價(jià)值。教學(xué)對象是高中學(xué)生，他們已經(jīng)學(xué)習(xí)了化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的基本理論知識，具備了一定的理論分析能力。但將這些理論知識應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，對于學(xué)生來說仍有一定難度。學(xué)生在思維上，雖然已經(jīng)具備了一定的邏輯思維能力，但在綜合考慮多個(gè)因素對化學(xué)反應(yīng)的影響以及如何選擇最優(yōu)反應(yīng)條件方面，還需要進(jìn)一步培養(yǎng)和提高。此外，學(xué)生對工業(yè)生產(chǎn)過程比較陌生，缺乏實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對于合成氨工業(yè)中設(shè)備、成本等實(shí)際問題的理解可能存在困難。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)結(jié)合具體實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，幫助學(xué)生理解選擇合成氨反應(yīng)條件的依據(jù)和方法。同時(shí)，通過介紹我國在合成氨領(lǐng)域的科研成果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和民族自豪感，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。教學(xué)環(huán)節(jié)一新課導(dǎo)入【引入】同學(xué)們，我們對化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控并不陌生，例如：為了滅火，可以采取隔離可燃物、隔絕空氣或降低溫度等措施；在日常生活中，大家有沒有注意到，為了延長食物儲存時(shí)間，我們常常會把食物保存在冰箱里。【介紹】在化學(xué)發(fā)展史上，有一位化學(xué)家，他的經(jīng)歷充滿了爭議，他就是20世紀(jì)初聞名世界的德國物理化學(xué)家、合成氨的發(fā)明者弗里茨·哈伯。贊揚(yáng)哈伯的人說：他是天使，為人類帶來豐收和喜悅，是用空氣制造面包的圣人。詛咒他的人則說：他是魔鬼，給人類帶來災(zāi)難、痛苦和死亡。哈伯在1909年成為第一個(gè)從空氣中制造出氨的科學(xué)家，使人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動局面，加速了世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因此獲得1918年瑞典科學(xué)院諾貝爾化學(xué)獎。然而在一戰(zhàn)中，哈伯擔(dān)任化學(xué)兵工廠廠長時(shí)負(fù)責(zé)研制、生產(chǎn)氯氣、芥子氣等毒氣，并使用于戰(zhàn)爭之中，造成近百萬人傷亡，遭到了美、英、法、中等國科學(xué)家們的譴責(zé)。【引入課堂】自1784年氨被發(fā)現(xiàn)以來，人們一直在研究如何利用化學(xué)方法由氮?dú)夂蜌錃夂铣砂?，但直?913年才實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過研究人員的不斷努力，幾十年后終于建造了日產(chǎn)氨1000噸的大型裝置。化學(xué)反應(yīng)N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)看起來十分簡單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會經(jīng)歷如此漫長的發(fā)展過程？合成氨廠為什么需要那么龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件呢？我們這節(jié)課將要來進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)意圖1.激發(fā)學(xué)生興趣：從學(xué)生熟悉的生活現(xiàn)象——滅火與食物保存在冰箱里延長保存時(shí)間入手，讓學(xué)生感受到化學(xué)反應(yīng)調(diào)控就在身邊，容易引起學(xué)生的共鳴和好奇心。2.聯(lián)系化學(xué)史：通過講述哈伯的故事，將本節(jié)課的內(nèi)容與化學(xué)史上的重要事件相結(jié)合，讓學(xué)生了解化學(xué)科學(xué)的發(fā)展歷程并非一帆風(fēng)順，增加了知識的趣味性和歷史厚重感，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生用辯證的觀點(diǎn)看待科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。3.引發(fā)思考，導(dǎo)入新課：提出關(guān)于合成氨工業(yè)化生產(chǎn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，自然地過渡到本節(jié)課的主題——工業(yè)合成氨以及化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)方向，帶著問題去探索新知識，提高學(xué)習(xí)的主動性和積極性。教學(xué)環(huán)節(jié)二工業(yè)合成氨活動一：溫故知新【提問】在學(xué)習(xí)新內(nèi)容之前，我們先通過幾個(gè)問題，回顧一下之前學(xué)過的與影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素的相關(guān)的知識。影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有哪些？影響化學(xué)反應(yīng)限度的因素有哪些？【學(xué)生回答】溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等溫度、濃度、壓強(qiáng)等設(shè)計(jì)意圖通過回顧上節(jié)課的知識，引出本節(jié)課的相關(guān)知識。活動二：探究合成氨反應(yīng)的限度【提問】結(jié)合合成氨的反應(yīng)：N2已知298K時(shí)，Δ（2）利用化學(xué)平衡移動的知識分析什么條件下有利于氨的合成。【學(xué)生回答】（1）常溫(298K)下，ΔH－TΔS<0，能自發(fā)進(jìn)行。（2）降低溫度、增大壓強(qiáng)【提問】同學(xué)們來看以下在不同溫度、壓強(qiáng)下，合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，平衡混合物中氨含量的測定結(jié)果。你有什么發(fā)現(xiàn)呢？【學(xué)生回答】在一定的溫度、壓強(qiáng)下，反應(yīng)物氮?dú)狻錃獾捏w積比為1∶3時(shí)平衡混合物中氨的含量最高?！菊故颈砀瘛肯卤淼膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在不同溫度、壓強(qiáng)下，平衡混合物中氨的含量的變化情況(初始時(shí)氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比是1：3)，你有什么發(fā)現(xiàn)呢？溫度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.4【學(xué)生回答】1.溫度越低，NH3含量越大；2.壓強(qiáng)越大，NH3含量越大【講解】實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明應(yīng)采取的措施與理論一致。設(shè)計(jì)意圖通過給出具體的反應(yīng)方程式和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)反應(yīng)方向判斷知識進(jìn)行思考，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和知識運(yùn)用能力?；顒尤禾骄亢铣砂狈磻?yīng)的速率【提問】可以通過控制哪些反應(yīng)條件來提高合成氨反應(yīng)的速率？【學(xué)生回答】1.升高反應(yīng)溫度2.增大反應(yīng)體系壓強(qiáng)3.使用高效催化劑【提問】實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)濃度的關(guān)系式為：υ=kc(N2)·c1.5(H2)·c1(NH3)根據(jù)該關(guān)系式分析：式中各物質(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？【學(xué)生回答】在反應(yīng)過程中，隨著氨的濃度增大，反應(yīng)速率會逐漸降低，因此為了保持足夠高的反應(yīng)速率，應(yīng)在反應(yīng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)將氨從混合氣中分離出去?！咎釂枴扛鶕?jù)表格所給數(shù)據(jù)分析催化劑對合成氨反應(yīng)的速率的影響。條件Ea/(kJ·mol1)k(催)/k

(無)無催化劑3353.4×1012(700

K)使用鐵催化劑167【學(xué)生回答】使用催化劑可以使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。因此，要實(shí)現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，使用適宜的催化劑是最有效的途徑?！局v解】同學(xué)們回答的很好，工業(yè)上，氮?dú)馀c氫氣合成氨的反應(yīng)是在催化劑表面上進(jìn)行的。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，一般要經(jīng)歷反應(yīng)物擴(kuò)散至催化劑表面、吸附在催化劑表面、發(fā)生表面反應(yīng)、產(chǎn)物從催化劑表面脫附、產(chǎn)物擴(kuò)散離開反應(yīng)區(qū)等五個(gè)步驟?！局v解】根據(jù)對合成氨反應(yīng)的速率及催化反應(yīng)歷程的研究，得出以下結(jié)論：1、第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制總反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟。為保證氮?dú)庹加幸欢ǚ蓊~的催化劑活性中心并提高吸附速率，應(yīng)適當(dāng)提高氮?dú)獾谋壤?，即不是達(dá)到最大平衡轉(zhuǎn)化率要求的n(N2)∶n(H2)=1∶3，而是n(N2)∶n(H2)=1∶2.8。2、為了提高氨的脫附速率，以空出活性中心供繼續(xù)合成氨使用，必須降低反應(yīng)后混合氣體中氨的比例，適時(shí)地將氨從反應(yīng)后的混合氣體中分離出來。設(shè)計(jì)意圖通過觀察數(shù)據(jù)和分析表格，讓學(xué)生直觀地認(rèn)識到影響工業(yè)合成氨反應(yīng)速率的因素，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和知識運(yùn)用能力?；顒铀模汉铣砂鄙a(chǎn)的適宜條件【提問】根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，應(yīng)分別采取什么措施提高該反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率？將有關(guān)建議填入下表中。提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率提高反應(yīng)的速率反應(yīng)特點(diǎn)措施反應(yīng)特點(diǎn)措施放熱活化能高正向反應(yīng)分子數(shù)減小低溫時(shí)反應(yīng)速率低反應(yīng)可逆原料氣濃度增大能提高反應(yīng)速率氨氣濃度增大能降低反應(yīng)速率【學(xué)生回答】提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率提高反應(yīng)的速率反應(yīng)特點(diǎn)措施反應(yīng)特點(diǎn)措施放熱降低溫度活化能高催化劑正向反應(yīng)分子數(shù)減小增大壓強(qiáng)低溫時(shí)反應(yīng)速率低適當(dāng)升高溫度反應(yīng)可逆及時(shí)分離出氨氣原料氣濃度增大能提高反應(yīng)速率增大反應(yīng)物濃度氨氣濃度增大能降低反應(yīng)速率及時(shí)分離出氨氣【提問】1、嘗試為合成氨生產(chǎn)選擇適宜的條件。2、在確定合成氨生產(chǎn)的適宜條件的過程中，你遇到了哪些問題，又是怎樣解決的？3、為了提高合成氨生產(chǎn)的能力，還可以在哪些方面做進(jìn)一步改進(jìn)？【學(xué)生回答】1.適宜條件溫度：400500℃兼顧催化劑活性、反應(yīng)速率與平衡轉(zhuǎn)化率）壓強(qiáng)：中壓法2030MPa、高壓法80100MPa（結(jié)合生產(chǎn)規(guī)模與設(shè)備條件）催化劑：鐵觸媒（加快反應(yīng)速率）濃度：適當(dāng)過量N2，及時(shí)分離NH3（促進(jìn)平衡正向移動）3、遇到問題及解決溫度矛盾：測不同溫度下催化劑活性、速率與轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)效益選\(400500^{\circ}C\)壓強(qiáng)限制：依資金、規(guī)模做技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算，小型廠選中壓、大型廠選高壓濃度復(fù)雜：監(jiān)控原料氣純度、除雜，定合理配比N2:H2≈1:（2.83.1)，用冷凝分離氨4、進(jìn)一步改進(jìn)方向催化劑：研發(fā)新型高效催化劑，拓寬活性溫度、增強(qiáng)活性工藝集成：與煤化工耦合，開發(fā)聯(lián)合循環(huán)回收余熱設(shè)備：用耐高壓/腐蝕材料，優(yōu)化內(nèi)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱智能控制：搭建智能系統(tǒng)，精準(zhǔn)調(diào)參、穩(wěn)定最優(yōu)生產(chǎn)狀態(tài)【講解】同學(xué)們回答的很好，合成氨生產(chǎn)一般選擇鐵做催化劑；反應(yīng)溫度控制在700K左右；根據(jù)反應(yīng)器可使用鋼材的質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)，大致分為低壓（1×107Pa）、中壓（2×107～3×107Pa）和高壓（8.5×107～1×108Pa）三種類型；通常采用氮?dú)馀c氫氣物質(zhì)的量之比為1∶2.8的投料比?！静シ乓曨l】播放工業(yè)合成氨發(fā)展歷史與技術(shù)流程的視頻?！局R拓展】諾貝爾化學(xué)獎方面：哈伯1918年奠定合成氨開發(fā)基礎(chǔ)，博施1931年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，埃特爾2007年揭示合成氨“天機(jī)”。中國成果：2016年中科院大連化物所團(tuán)隊(duì)研制新型催化劑，降低合成氨溫度、壓強(qiáng)，更節(jié)能、降成本。設(shè)計(jì)意圖通過問題讓學(xué)生自主思考工業(yè)合成氨的適宜條件，培養(yǎng)學(xué)生的思考能力與化學(xué)知識的應(yīng)用能力?；顒游澹夯瘜W(xué)反應(yīng)的調(diào)控【講解】要為化學(xué)反應(yīng)選適宜生產(chǎn)條件，先明確生產(chǎn)目的并判斷可行性；接著確定目標(biāo)反應(yīng)，再從兩方面深入：一方面基于化學(xué)平衡、反應(yīng)速率原理分析，明確影響因素來調(diào)控反應(yīng)；另一方面通過實(shí)驗(yàn)摸索，結(jié)合設(shè)備可行、成本核算等實(shí)際生產(chǎn)要素，最終讓反應(yīng)達(dá)成“最佳效果”，指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)中合理設(shè)定反應(yīng)條件。設(shè)計(jì)意圖通過對硫原子結(jié)構(gòu)的分析，培養(yǎng)學(xué)生從結(jié)構(gòu)推測性質(zhì)的化學(xué)思維能力。一、合成氨反應(yīng)的限度1.反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)2.自發(fā)判斷：(HTS)（(298K)時(shí)可自發(fā)）3.平衡移動：降低溫度、增大壓強(qiáng)有利4.數(shù)據(jù)結(jié)論：壓強(qiáng)越大、溫度越低，(NH3%)越大二、合成氨反應(yīng)的速率1.條件控制：升溫、增壓、用催化劑2.濃度影響：υ=kc(N2)c1.5（H2）c1(NH3)3.催化影響：用鐵催化劑速率大幅提高4.催化歷程：五步，關(guān)鍵步驟及結(jié)論三、合成氨生產(chǎn)的適宜條件1.選擇措施o轉(zhuǎn)化率：降溫、增壓、分離氨o速率：升溫、增濃、分離氨2.具體條件o催化劑：鐵觸媒o溫度：(700K)左右o壓強(qiáng)：分低壓、中壓、高壓o投料比：n(N2):n(H2)=1:2.8四、知識拓展1.諾貝爾化學(xué)獎2.中國成果1.判斷正誤(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)溫度越高越利于合成氨反應(yīng)平衡正向移動。()(2)合成氨反應(yīng)中,壓強(qiáng)越大越利于增大反應(yīng)速率和平衡正向移動。()(3)使用催化劑能提高合成氨反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率。()(4)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 ()(5)恒容條件下充入稀有氣體有利于NH3的合成。 ()(6)工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵增加的放熱反應(yīng)，在任何溫度下都可自發(fā)進(jìn)行。()【答案】（1）×（2）√（3）×（4）×（5）×（6）×2.有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中,正確的是(B)A、增大H2的濃度,可提高H2的轉(zhuǎn)化率B、由于氨易液化,N2、H2在實(shí)際生產(chǎn)中會循環(huán)使用,所以總體來說氨的產(chǎn)率很高C、合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在400~500℃,目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動D、合成氨廠采用的壓強(qiáng)是10MPa~30MPa,因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大3.有平衡體系:CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)ΔH<0。為了增加甲醇(CH3OH)的產(chǎn)量,應(yīng)采取的正確措施是(B)A、高溫，高壓B、適宜溫度，高壓，催化劑C、低溫，低壓D、高溫，高壓，催化劑4.工業(yè)上合成氨一般采用400~500℃的溫度，其原因是(D)①適當(dāng)提高氨的合成速率②提高H2的轉(zhuǎn)化率③提高氨的產(chǎn)率④催化劑在500℃左右活性最大只有①B、只有①②C、②③④ D、只有①④5.在一定條件下，可逆反應(yīng)N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)(正反應(yīng)是放熱反應(yīng))達(dá)到平衡,當(dāng)單獨(dú)改變下列條件后,有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是(D)A、加催化劑,v(正)、v(逆)都發(fā)生變化且變化的倍數(shù)相等B、加壓,v(正)、v(逆)都增大，且v(正)增大的倍數(shù)大于v(逆)增大的倍數(shù)C、降溫,v(正)、v(逆)都減小，且v(正)減小的倍數(shù)小于v(逆)減小的倍數(shù)D、等容條件下加入氬氣，v(正)、v(逆)都增大，且v(正)增大的倍數(shù)大于v(逆)增大的倍數(shù)6.某工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生反應(yīng):2A(g)+B(g)2M(g)ΔH<0。下列有關(guān)該工業(yè)生產(chǎn)的說法正確的是(D)A、工業(yè)上合成M時(shí)，一定采用高壓條件,因?yàn)楦邏河欣贛的生成B、若物質(zhì)B價(jià)廉易得，工業(yè)上一般采用加入過量的B以提高A和B的轉(zhuǎn)化率C、工業(yè)上一般采用較高溫度合成M，因溫度越高,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高D、工業(yè)生產(chǎn)中常采用催化劑，因?yàn)樯a(chǎn)中使用催化劑可提高M(jìn)的