1、第2章 第4节 化学反应条件的优化工业合成氨山东省日照第一中学 王绪涛【课程分析】 合成氨工业对化学工业、国防工业和我国实现农业现代化具有重要意义。本节教材体现了化学反应速率和化学平衡移动原理等理论对工业生产实践的指导作用，同时在运用理论的过程中，也可进一步加深对所学理论的理解。通过本节课的学习，使学生理解如何应用化学平衡和化学反应速率原理，选择合成氨的适宜条件；使学生了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。 【学情分析】学生通过对本章前三节的学习，已经掌握了化学反应方向的判断，温度、浓度、压强、催化剂等外界条件对化学平衡和化学反应速率的影响，具有了相应的知识基础。学生刚刚学完这部分内容
2、感觉比较抽象，不容易理解，在学习过程中需要老师去引导，循序渐进，在复习基础知识的基础上，讨论合成氨反应的特点，探讨出工业生产所需的合适条件。对于如何处理从化学热力学角度实现高转化率所需的条件与从动力学角度实现高速率所需的条件的矛盾，以及实际生产中还要考虑成本、经济效益的等多方面因素存在疑问。【设计思路】新课程理念倡导学生能够从问题和任务出发，积极主动地通过自主学习、交流研讨、合作探究等活动，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，本节课教学以此为指导思想展开。旨在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。主要措施有两种：1、通
3、过“交流研讨”，引导学生学会应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和方法；2、通过“学以致用”和“课堂达标”，巩固学习效果、强化化学理论在实际生产中的应用。在本节课的各教学环节中，力求实现以下目标（1）联系生活实际，合理创设情境，激发学生学习兴趣；（2）强化学生主体地位，引导学生积极参与，采用自主、合作、探究的方式，并对学生进行全方位、多角度的启发和指导，让学生真正成为学习的主人。（3）引导学生树立工业生产的成本意识。了解工业合成的研究发现和发展前景对工业生产的导向作用和积极影响。根据诱思探究理论，结合学生已有的知识储备和学习内容的特点，本节课设计主要分为三个认知层次：一、创设情境，激发兴趣从
4、化学反应N2(g) + 3H2(g)2NH3(g)看起来十分简单，而氮、氢为原料合成氨从第一次实验室研制到工业化投产，经历了约130年漫长的发展过程入手，然后投影 “哈伯合成氨法”与合成氨研究的艰辛历程，让学生感悟体验，科研创新的艰巨性和为人类社会发展所产生的巨大贡献，从而激发学生的学习兴趣。二、交流研讨，联系实际，学会分析问题本质（1）交流研讨，合作探究，选择合成氨的优化条件让学生通过7个“交流研讨”，依据合成氨反应的特点分别从“合成氨反应的限度”、“合成氨反应的速率”和“合成氨的适宜条件”三个角度探讨合成氨的有利条件。这样在给学生提供 “动脑想”“动手做”“动口说”的机会同时，又对前面化学
5、平衡移动和反应速率的相关知识进行了巩固，提高了对知识的迁移应用能力。（2）联系实际，结合生产实践，学会分析问题本质学生在交流研讨、合作探讨得出合成氨的适宜条件的基础上，引导学生从工业上合成氨的条件及设备，总结归纳处理：如何解决从化学热力学角度实现高转化率所需的条件与从动力学角度实现高速率所需的条件的矛盾；实际工业生产中还要考虑哪些方面的因素；形成应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。三、迁移应用，巩固提高通过“视野拓展”、“学以致用”和“课堂达标”三个栏目，进一步提高学生将化学反应原理应用于生产实际的能力。【学习目标】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。
6、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调控在工业生产中的重要作用。过程与方法1通过对合成氨适宜条件的研究选择，学会把握主要矛盾、统筹兼顾解决问题的能力，培养理论联系实际的能力。2在运用理论解决问题过程中，进一步加深对所学理论的理解，提高实际应用能力。3通过讨论、交流发现问题和解决问题，体验合作学习的过程和乐趣。情感态度与价值观1初步形成从多方面综合思考问题的意识。2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。【重
7、点难点】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。难点：应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和和方法。【方法导引】1学会使用反应方向的判据、影响化学平衡和化学反应速率的外界条件来综合分析工业生产条件的优化选择。2树立工业生产的成本意识。了解工业合成的研究发现和发展前景对工业生产的导作用和积极影响。【教学流程】投影展示本节学习目标，让学生明确本节学习目标以及需达到的要求。投影简要介绍氨的重要用途；哈伯合成氨法；合成氨研究的艰辛历程。让学生感悟体验科研创新的艰巨性和为人类社会发展所产生的巨大贡献。【交流研讨1】引导学生通过交流研讨1，小组间合作探究得出工业合成氨反应的可逆性、正反
8、应放热、熵减小、298K时能自发性等主要特点。已知：在298K时，合成氨反应: N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的H=92.2kJmol1，S =0.1982kJK1mol1。请回答下列问题：（1）合成氨反应为 （填“可逆”或“不可逆”）反应；（2）合成氨正反应为 （填“吸热”或“放热”）反应；（3）合成氨正反应为 （填“熵增大”或“熵减小”）的反应；（4）298K时，合成氨反应的HTS = kJmol1，请根据判据来判断合成氨反应在298K时为 （填“可自发”或“不可自发”）反应。【交流研讨2】引导学生利用所学“外界条件对化学平衡的影响”等知识，通过交流研讨2，小组间合作探究分析得出有
9、利于合成氨的条件，通过教材图片以及课件所展示的数据，进一步验证所得出的结论。请根据反应条件对化学平衡的影响，回答下列问题：（1） （填“增大”或“减小”）N2和H2的浓度，有利于氨的合成；（2） （填“升高”或“降低”）温度，有利于氨的合成；（3） （填“增大”或“减小”）压强，有利于氨的合成；（4）分析教材P66中“图2-4-3”，进一步验证上述结论与科研数据 （填“具有”或“不具有”）一致性。（5）分析课件所展示工业数据表格，进一步验证上述结论与科研数据 （填“具有”或“不具有”）一致性。【交流研讨3】利用课件所展示的图片，引导学生通过交流研讨3，小组间合作探究得出平衡氨含量最高时的氢气和
10、氮气体积比为1:3。分析课件所展示图片，推出在一定温度、压强下，反应物N2、H2的体积比为 时，平衡混合物中NH3的含量最高。过渡在得出有利于氨合成的条件后，我们继续来探究有利于提高合成氨的速率的外界条件。二、合成氨反应的速率【交流研讨4】引导学生利用所学“外界条件对化学反应速率的影响”等知识，通过交流研讨4，小组间合作探究分析得出有利于提高合成氨的速率的外界条件。请根据反应条件对化学反应速率的影响，回答下列问题：（1） （填“增大”或“减小”）N2和H2的浓度，有利于提高合成氨的速率；（2） （填“升高”或“降低”）温度，有利于提高合成氨的速率；（3） （填“增大”或“减小”）压强，有利于提
11、高合成氨的速率；（4） （填“使用”或“不适用”）催化剂，有利提高合成于氨的速率。【交流研讨5】引导学生利用所学“反应速率常数（k）与温度（T）之间经验公式”等知识，结合本节中合成氨反应的速率与各物质的浓度关系式，通过交流研讨5，小组间合作探究分析得出有利于提高合成氨的速率的外界条件，进一步验证上述结论。根据教材P60中介绍的反应速率常数（k）与温度（T）之间经验公式：k =可知，Ea0，温度越高时，k 越大，反应速率越大。已知：合成氨反应的Ea0。根据教材P66中介绍的合成氨反应的速率与各物质的浓度关系式：= kc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)，回答下列有关问题。（1） （填“增大”
12、或“减小”）N2和H2的浓度，有利于提高合成氨的速率；（2）随着NH3浓度的增大，反应速率 （填“增大”或“减小”），因此，为保持足够高的反应速率，在达到一定转化率时，将氨从混合气中 ；（3）当温度一定时，压缩气体来增大压强会使N2和H2的浓度 （填“增大”或“减小”）有利于提高合成氨的速率；（4）当升高温度时，合成氨的速率方程中的k （填“增大”或“减小”），化学反应速率 （填“增大”或“减小”）；（5）结合教材P67中“表2-4-1”，分析使用催化剂会 （填“升高”或“降低”）反应的活化能（Ea），所以，使用催化剂， （填“有利于”或“不利于”）提高合成氨的速率。过渡我们已经得出有利于氨合
13、成和有利于提高合成氨的速率的外界条件了，让我们继续来研究这些条件是否具有一致性。三、合成氨的适宜条件【交流研讨6】引导学生结合刚才所得出的结论，通过交流研讨6，小组间合作探究分析得出有利于提高平衡转化率和合成氨的速率的外界条件的一致性。根据对合成氨的化学反应限度和化学反应速率的研究，完成下面表格提高反应的平衡转化率提高化学反应速率外界条件措施外界条件措施浓度浓度压强压强温度温度催化剂催化剂 （1）通过上面表格总结，在 （填外界条件）方面采取的措施是一致的。（2）通过上面表格总结，在 （填外界条件）方面采取的措施是不一致的。过渡有利于氨合成和有利于提高合成氨的速率的外界条件既有一致的，又有不一致
14、的，现在我们就来研究一下这些条件如何实现最优化。【交流研讨7】引导学生通过交流研讨7，小组间合作探究分析得出工业合成氨时压强、温度、催化剂、N2和H2的最佳体积比以及剩余的N2和H2的循环使用。（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选择是否越大越好？原因是什么?（2）既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，但是生成氨的速率会降低，那么温度我们应该如何选择？（3）既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中是否使用催化剂？（4）由于氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，即影响反应速率的关键步骤。为了保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心并提高吸
15、附速率，应适当提高氮的分压p(N2)，在工业合成氨中我们应该如何调整N2和H2的体积比？（5）即使在700K和30MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，转化率仍不够大，那么剩余的N2和H2该如何处理呢？过渡现在我们以及明确了合成氨条件如何优化了，现在我们来汇总一下吧。【研讨成果】引导学生利用下面表格，对优化后的合成氨的条件进行梳理。根据以上三个角度的综合研讨，请用下面表格总结合成氨的条件选择。外界条件工业合成氨的适宜条件浓度压强温度催化剂过渡现在我们以及学会如何优化工业生产条件了，现在我们先阅读【拓展视野】，并完成【学以致用】来检验一下自己所学的方法吧。【拓展视野】工业
16、生产时，条件选择需注意的问题1一般要使用合适的催化剂能够降低反应的活化能，加快化学反应速率，提高生产效率，提高经济效益。2选择合适的温度既要考虑催化剂活性温度要求，又要考虑生产成本，一般所选的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压强对化学反应速率和化学平衡的影响，还要综合考虑动力成本和对设备的要求等。【学以致用】已知：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) H0其实验数据见下表 （1）应选用的温度是 。（2）实际生产条件采用的压强是1.01105Pa ，理由是 。讲解利用课件和视频展示我国在合成氨工业中取得的重大成就，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。【我的收获】总结归纳：结合反应特点，利用影响化学平衡和化学反应速率的外界条件等知识来综合分析工业生产条件的优化选择的方法。选择工业生产的条件时要树立成本意识。【课堂评价】利用【课堂评价】和【课后作业】检验学习效果，强化所学知识和方法，巩固深化学习成果。【课后作业】
