【教案】鲁科版选择性必修1：合成氨反应的限度和速率 教学设计

第二章化学反应方向、限度和速率
第4节化学反应条件的优化——工业合成氨
第一课时合成氨反应的限度和速率
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，是重要的化学工业之一;同时，氮气、氢气合成氨反应也是一个学生熟悉的、典型的平衡体系。

本节以此为研究对象有利于学生应用化学平衡理论和化学反应速率理论尝试综合选择化工生产的适宜条件，从而体会化学热力学理论和化学动力学理论对生产实践的指导作用。

本节教材为学生提供了关丁合成氨反应的热力学、动力学实验数据，使他们能够利用这些资料展开讨论，初步尝试利用理论分析化工生产中的实际问题，选择工业合成氨的适官条件。

变化观念与平衡思想：
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。

科学精神与社会责任：
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。

影响合成氨反应限度和速率的因素
工业合成氨的历史材料、课件、学案
【新课引入】在化学发展史上，有一位化学家，虽然他早已长眠地下，但是他却给世人留下关于他功过是非的激烈争论。

他就是20世纪初闻名世界的德国物理化学家、合成氨的发明者弗里茨·哈伯。

赞扬哈伯的人说：他是天使，为人类带来丰收和喜悦，是用空气制造面包的圣人。

诅咒他的人则说：他是魔鬼，给人类带来灾难、痛苦和死亡。

针锋相对、截然不同的评价，同指一人而言，原因是什么呢？
【投影】合成氨的发明者哈珀
弗里茨·哈伯（Fritz Haber，1868年12月9日～1934年1月29日），德国化学家，出生在德国西里西亚布雷斯劳（现为波兰的弗罗茨瓦夫）的一个犹太人家庭。

1909年，成为第一个从空气中制造出氨的科学家，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展，因此获得1918年瑞典科学院诺贝尔化学奖。

一战中，哈伯担任化学兵工厂厂长时负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用于战争之中，造成近百万人伤亡，遭到了美、英、法、中等国科学家们的谴责。

【联想质疑】自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年才实现了合成氨的工业化生产。

经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨1000吨的大型装置。

化学反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的发展过程?合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件?
【思考】合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。

要实现合成氨的工业化生产，须从哪些方面选择合成氨的反应条件？
【学生】反应限度和反应速率
【知识回顾】
1.影响化学反应速率的因素有哪些？
2.影响化学反应限度的因素有哪些？
【学生】思考回答
【引入】本节课我们共同来探究一下，通过哪些改变哪些条件可以提高合成氨的限度和速率。

【板书】一.合成氨反应的限度
【交流研讨】根据教材所给信息，请与同学们交流研讨∶
1.根据反应的焓变和熵变分析298K下氨的合成反应能否正向自发进行。

2.利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。

【学生】进行计算和小组交流，并展示研讨结果。

【投影】△H-T△S=-92.2KJ·mol-1-298K×（-198.2KJ·K·mol-1×10-3）=-33.1KJ·mol-1＜0 【总结】通过分析我们可以得出，氨合成反应的特点为：在298K时能正向自发进行的放热反应，且为气体的物质的量减小的熵减反应。

【思考】通过分析对于合成氨反应，我们可以通过改变哪些条件来提高反应的限度呢？
【学生】减低温度、增大压强
【投影】平衡混合物中氨的含量与温度、压强的关系
【总结】降低温度、增大压强将有利于化学平衡向生成氨的方向进行。

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】由化学平衡移动的原理可知，高压和低温的条件有利于提高合成氨反应的限度。

哪些措施可以提高合成氨反应的速率呢？
【板书】二、合成氨反应的速率
【交流研讨】1.可以通过控制哪些反应条件来提高氨的合成反应的速率?
2.实验研究表明，在特定条件下，氨的合成反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为∶v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)。

根据该关系式分析∶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.根据表2-4-1所给数据分析催化剂对氨的合成反应速率的影响。

【学生】根据所给信心，小组进行研讨交流。

结束后进行交流展示研讨结果。

【总结】
1.提高合成氨反应速率的措施：升高温度、增大压强、使用高效催化剂
2.各物质浓度对反应速率的影响：氨的合成反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。

将氨从混合气中分离出去，可以提高合成氨的反应速率。

3.催化剂对合成氨反应速率的影响：使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。

因此，要实现合成氨的工业化生产，使用适宜的催化剂是最有效的途径。

【质疑】催化剂是通过改变反应历程来提高反应速率的，催化剂是如何改变合成氨反应历程的呢？请大家“化学与技术”合成氨的催化历程部分。

【投影】合成氨的催化历程
【总结】根据对氨的合成反应的速率及催化反应历程的研究，得出以下结论∶
1.适当提高氮的分压p(N2)，即不是达到最大平衡转化率要求的n(N2):n(H2)=1:3，而是n(N2):n(H2)=1:
2.8，可以提高反应速率。

2.适时地将氨从反应后的混合气体中分离出来，可以提高反应速率。

因此，有利提高合成氨反应速率的措施有：高压、高温、使用催化剂、及时分离出氨气、保持n(N2):n(H2)=1:2.8等。

【课堂小结】
本节课主要是通过教材所提供了的关于合成氨反应的热力学、动力学实验数据，引导学生利用这些资料展开讨论，分析提高合成氨反应限速和速率的措施，初步尝试利用理论分析化工生产中的实际问题。

内容较少，为激发学生探究兴趣，课堂引入介绍了合成氨的发明者哈伯的功与过。