《第4节 化学反应条件的优化——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、教学设计思路
三、教案
化学反应条件的优化——工业合成氨 知识目标： 课题 授课人 刘本强 （1）认识合成氨的化学原理。 （2）应用化学反应速率和化学平衡原理来选择适宜的化工生产条件的一般原则。 （3）了解合成氨生产的主要流程。 能力目标： 教学（1）学生通过丰富的资料及问题探讨培养抽象思维能力和分析推理能力。 目标 （2）学生通过上网浏览培养自主学习能力。 素质目标： （1）学生在多媒体的交互式学习环境中，充分发挥学习的主动性，培养检索、处理、获取信息的终身学习能力。 （2）培养用辩证唯物主义观点（对立统一的观点）看待物质、看待世界。树立环境保护的意识和爱国主义的观点 重点难点 教学方法 教学用具 教学过 程 【引入】直接引入：这节课我们将讨论怎样应用学过的化学反应速率和化学平衡的知识来研究有关合成氨工业的问题。 师：假如你是新上任的某合成氨新 课 引 入 产率较低的合成氨工厂的经理，上任伊始，你将着手哪些工作？ 选择。 【板书】化学反应条件的优化——工业合成氨 【过渡】现在工厂合成氨气，应怎样选择生产条件呢？ 【设问】利用化学反应速率和化 回答：降低成本，提高产品产量和质量 讨论后回答：选择生产条件的目的是加快速率，提高产率。选择生产条件的依据为外界条件对化学反应速率和化学平衡影响 教师活动预设 学生活动预期 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 问题引出 学生自主学习 讨论总结。 投影仪、电脑、大屏幕 设计意图 引入新课，激发兴趣。 通过事例分析指出本节重点及学习学平衡移动知识，从生产目的、选择的依据和原则角度考虑这个问题，选择生产条件的目的是什么？选择生产条件的依据是什么？ 方法，明确学生的学习方向 为讨论合成氨适宜生产条件做准备。使学生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。 △H-T△S ＜0 298K时，合成氨反应是可以自发进行的。 体会一般的研究思路：第一步化学热力学分析。先判断反应的方向，再利用平衡移动 判断合成氨反应能否自发进行 【交流·研讨】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·mol 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。 -1-1=-92.2kJ·mol-1-298K×（-198.2J·K-1·mol-1）是进行【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？ 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时平合成氨反应的限度 【板书】一、合成氨反应的限度 衡混合物中氨的含量最高。 学生观看图2-4-3进行分析。 【点拨】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。 原理分析如何提高氨的产量。 【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合成氨反应的速率 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： 【板书】三、合成氨的适宜条件 学生讨论后完成下表 外界条使NH3生产【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） 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让学生从整体氨反应的速率提高上万亿倍。上对影响化学反应速率的各 表2-4-1 种影响进行定性分析。 结合生产实际选择合成氨的适宜条件 使NH3生产的快 速率分析 高压 高温 使用 增大 减小 件 压强 温度 催化剂 反应物浓度 生成物浓度 的多 平衡分析 高压 低温 无影响 增大 减小 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？ 【点拨】师生：讨论得出选择适宜生产条件的原则：（1）既要注意外界条件对二者影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性。（2）既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂对温度的。（3）既要注意理论上的需要，又要注意实际可能性。 【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复习、整理关于化学反应的方向、限度和速率的理论知识并查阅资料回答： 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，应选择适宜的温度使催化剂的活性最大。 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通过交流研讨使学生体会这是用理论解决实际总是的一个重要步骤，需要综合评价热力学与动力学的研究结果，还必须考虑实际工艺技术等各方面因素。 归纳出合成氨生产的适宜条件，引导思考的方向，结合生产数据介绍合成氨实际生产条件，使学生在解决实际总是的过程中进一步加深对所学理论的理解。 强，大致分为低压（1×107Pa）、及综合指标来选择中压（2×107～３×107Pa）和高压强，并非是越大压（8.5×107～1×108Pa）三种类型；n(N2)：n(H2)=1：2.8。 【板书】合成氨的生产流程 11 （1）原料气的制备 N2来自空气，合成氨的生产流程 H2 来自水中CH4+H2O=CO+3H2 越好。 加深学生对化工生产的了解。 学生认真听讲，观看课本合成氨工艺生产流程图。 让学生了解我国合成氨工业发展历程，目前我国合成氨工业从生产能力和产量上都位居世界前列，对他们进行情感态度与价值观教育。 CO+H2O=CO2+H2 (2)净化 消除造气过程中夹带着的杂质，防止催化剂中毒。 （3）合成氨 【知识拓展】简单介绍我国合成氨工业的发展情况。 【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过程。 学生展望，思考。 让学生了解科学前沿和科技发展动态。 结合理论依据和生产实际，适宜的合成氨条件为： 课堂铁催化剂，700K，根据反应器选择压强，n(N2)：n(H2)=1：2.8，实际生产中还需将生成的小结 氨气及时从混合气中分离出来，并且不断地向循环气中补充氮气、氢气。 课堂练习当堂【大屏幕】1、SO3的合成反应，投影材料】已知2SO2(g)+O2(g) （1）应选用的温度是 （2）应采用的压强是 常压 ，理由是 （3）在生产中，通入过量空气目的是 。 （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4节化学反应条件的优化——工业合成氨 一、合成氨反应的限度 有利于化学平衡向生成氨的方向移动的影响因素：降低温度、增大压强、n(N2)：n(H2)=1 ：3 二、合成氨反应的速率 有利于加快生成氨速率的影响因素：升高温度、增大压强、使用催化剂、增大反应物浓度、减小生成物浓度。 三、合成氨的适宜条件 结合生产实际，适宜的合成氨条件为： 铁催化剂，700K，根据反应器材质、动力设备选择压强，n(N2)：n(H2)=1：2.8 课后反思： 学的理论知识与合成氨工业的实际问题相联系，做到学以致用。 1．新课程理念倡导学生能够从问题和任务出发，积极主动地通过交流研讨等活动，以获取知识和技能、发展能力、培养情感体验为目的的学习方式，本课例是以此为指导思想展开的。2．本节课的重点是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，教学主旨是使学生了解应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和方法，初步形成从多方面综合思考问题的意识。3．在教学过程中，充分利用教材中提学生思考、回答 迁移应用能力 当堂达标 学生分析解答，进一步加深了本节课的理论和认识。 2SO3 (g) △达标 H＜0其实验数据见表 供的“交流·研讨”组织学生展开讨论，引导学生将所学知识学以致用。
