高中化学-新课标人教版选修二 第1单元课题1 化学生产过程中的基本问题 教案

课题1 ：化工生产过程中的基本问题
一、教学目标
知识与技能：
1.以硫酸工业为例，了解化工生产中的一些基本问题。

2.知道生产硫酸的主要原理、原料、流程和意义。

过程与方法：
1.了解从理论研究成果到现实生产的过程。

2.学会将所学的知识应用于实际的方法。

情感态度与价值观：
1.树立合理利用自然资源、节约能源的观点。

2.培养既会独立思考，又能与人合作的能力。

二、教学重点
化工生产过程中的基本问题；工业制硫酸的生产原理；平衡移动原理及其对化工生产中条件控制的意义和作用
三、教学难点
化工生产过程中的基本问题；工业制硫酸的生产原理
四、教学方法
讨论探究多媒体
五、课时安排
2课时
六、教学过程
课程引入]一个生产工艺的实现，涉及许多问题。

如化学反应原理、原料选择、能源消耗、设备结构、工艺流程、环境保护以及综合经济效益等等。

本节课我们就以硫酸工业为例，了解化工生产中的一些基本问题。

投影]硫酸可以用来制化肥，如磷肥、氮肥等。

可以在金属加工和金属制品电镀以前，除去金属表面的氧化物膜，可以制取许多有实用价值的硫酸盐，如硫酸铜、硫酸亚铁等，还可用于精炼石油，制造炸药、农药、染料等，实验室中常用作干燥剂。

设疑]硫酸有那么多用途，工业上是如何生产的呢？请同学们根据所学过的硫及其氧化物知识，讨论生产硫酸的原理。

学生讨论并归纳]生产H2SO4 的主要化学过程可以分为SO2 的生成和SO2转化为SO3两个阶段。

提问]如果以硫磺为原料制硫酸，你能试着用方程式表示制硫酸的反应原理吗？
交流讨论并归纳板书]
一.依据化学反应原理确定生产过程：
1.以硫为原料制备SO2
S(s)+O2 (g)﹦ SO2 (g) (放热反应)
2. 利用催化氧化反应将SO 2氧化成SO 3
2SO 2 (g)+O 2 (g)2SO 3 (g) （放热反应）
3. 三氧化硫转化为硫酸
SO 3(g)+H 2O(l)=H 2SO 4 (l) （放热反应）
按照上述反应原理，工业制硫酸主要分为造气、催化氧化和吸收三个阶段。

讲述]知道了生产硫酸的原理，那我们就一起学习生产中原料的选择。

板书]二.生产中的原料选择
设疑]为什么不主张用黄铁矿作为原料，而要选择硫磺？
讨论归纳]由于生产过程中产生的废弃物太多，处理成本高，所以选择硫磺、空气和水作为生产硫酸的原料。

投影]硫酸生产的主要设备
讲述]在实验室化学反应是在一定条件下进行的，所用仪器比较简单，自动化程度不高，而在我们的工业生产中需要根据实际情况来选择合适的反应条件。

现在同学们根据反应原理，阅读教材P6-7思考与交流，然后归纳该生产过程的适宜条件。

阅读讨论] 1．从表1-1和表1-2可以看出，温度越低、压强越大，越有利于SO 2的生成，但压强的影响不是很大。

2．思路：低温时有利于SO 2的转化，但考虑催化剂活性，温度不能太低。

高压有利于SO 2的转化，但试验表明增大压强，SO 2的转化率提高并不大，而且考虑设备、成本和能源消耗问题，压强不应很高，可以考虑常压。

而反应过程中二氧化硫转化为三氧化硫需要氧气，所以应该有充足的空气（对此问题学生可能会有不同的回答，教师可引导学生讨论，最后给出实际结果）
讲述板书]三.生产中反应条件的控制
硫酸生产中的适宜条件：
(1)低温(400~500℃)
(2)常压
(3)适当过量的空气
设疑]当一个化学反应完成后，我们还应该注意什么问题？
学生]要注意保护环境，处理反应中产生的废弃物。

98%硫酸 98%硫酸
发烟 硫酸 SO 3 SO 2
造气
（制SO 2） 净化 干燥 空
气
催化反应室，400-500℃，常压，催化剂 吸收塔
稀释室 水 贮存室
讲述]很好，现在我们一起来处理该反应产生的三废。

首先是尾气处理，应该怎么吸收反应所产生的二氧化硫？
分析并板书]四.生产中的三废处理：
1.尾气吸收：
2.污水处理：用石灰浆(Ca(OH)2或石灰石粉中和酸性废液。

Ca(OH)2+ H 2SO 4=CaSO 4+2H 2O 。

生成的硫酸钙可制建材用的石膏板。

3.废渣处理：分离后循环利用,剩下的作铺路用的沥青或用于制砖。

讲述]我们应该注意的是还可以充分利用反应中产生的能量。

硫酸生产过程中的三个化学反应都是放热反应，可以充分利用这些反应放出的热能(工厂里把它们叫做“废热”)以降低生产成本。

在实际的化工厂生产过程中我们还应该充分考虑其他各方面的因素，如厂址选择、交通、人力等因素。

七、课堂小结
1. 工业上接触法制硫酸概括为“五个三” :
三种原料:
三个反应:
三个生产过程:
三个主要设备:
硫酸工业生产的三个适宜条件:
2. 硫酸生产中的废气及废液的处理方法：
八、课后作业：
教材P21 课外拓展：
一.酸雨
（1） 酸雨的定义
一般认为,酸雨是由于燃烧高硫煤排放的二氧化硫等酸性气体进入大气后,造成局部地区大气中的二氧化硫富集,在水凝结过程中,溶解于水形成亚硫酸,然后经某些污染物的催化作用及氧化剂的的氧化作用生成硫酸,随雨水降下形成酸雨.酸雨的pH 值一般少于5.6.
（2） 酸雨的危害
对人体健康的直接危害,硫酸雾和硫酸盐雾的毒性比二氧化硫大得多,可以侵入肺的深部组织,引起肺水肿等疾病而使人致死.引起河流、湖泊的水体酸化,严重影响水生动植物的生长.破ＳＯ２ Ｃa （ＯＨ）２ Ｃa ＳＯ３ Ｈ２ＳＯ４
ＳＯ２（重新利用）
坏土壤、植被、森林.腐蚀金属、油漆、皮革、纺织品及建筑材料.渗入地下,使水中铝、铜、锌、镉的含量比中性地下水中高很多倍.
（3）酸雨的治理
二氧化硫污染大气的罪魁——煤，平均含硫量约为2.5%-3%。

为治理煤燃烧时造成的二氧
）的化硫污染，一种办法是事先从煤中除去硫。

但是只有一部分煤中的硫主要以黄铁矿（FeS
2
形态存在；这样的煤以脱硫工艺处理后其含硫量可降低到约为1%。

大部分的煤中还含有较多的有机硫化合物，这样的煤以脱硫平均只能除去原含硫量的约40%。

二．硫酸厂选址的因素
（1）化工厂选址的因素
一般来说，现代化工生产要求有较大的生产规模。

化工厂厂址选择是很复杂的问题，涉及原料、水源、能源、土地供应、交通运输、环境保护和市场需求等诸多因素，应对这些因素综合考虑，权衡利弊，才能作出合理的选择。

化工厂厂址选择一般应考虑下列因素：①是否有市场需求；②是否接近原料供应地；③土地供应是否充足；④水源是否充足；⑤能源是否充足且廉价；⑥交通运输是否方便；⑦能否达到环境保护要求。

上述这些因素必须在遵循科学原则的基础上，着重考虑综合经济效益，即要求最大限度地提高劳动生产率，降低成本，保护生态环境。

（2）硫酸厂选址的因素
由于硫酸是腐蚀性液体，不便贮存和运输，因此要求把硫酸厂建在靠近硫酸消费中心的地区，工厂规模的大小，主要由硫酸用量的多少决定；硫酸厂厂址应远离水源和河流的上游，以免工厂的污水污染水源；也不要设置在城镇和居民区盛行风向的上风地带，以免工厂排放的大量烟尘和有害气体污染城镇的水源和大气等。

三.废热利用
硫酸工业三个生产阶段的反应都是放热反应，应当充分利用放出的热量，减少能耗。

第一阶段黄铁矿燃烧放出大量的热，通常在沸腾炉处设废热锅炉，产生的过热蒸汽可用于发电，产生的电能再供应硫酸生产使用（如矿石粉碎、运输，气流、液流等动力用电）。

第二阶段二氧化硫氧化放热可用于预热原料气，生产设备叫热交换器，原料气又将三氧化硫降温，再送入吸收塔。

下方文件为赠送，方便学习参考
第三节酯化反应
教学目标
知识技能：掌握酯化反应的原理、实验操作及相关问题，进一步理解可逆反应、催化作用。

能力培养：培养学生用已知条件设计实验及观察、描述、解释实验现象的能力，培养学生对知识的分析归纳、概括总结的思维能力与表达能力。

科学品质：通过设计实验、动手实验，激发学习兴趣，培养求实、探索、创新、合作的优良品质。

科学方法：介绍同位素示踪法在化学研究中的使用，通过酯化反应过程的分析、推理、研究，培养学生从现象到本质、从宏观到微观、从实践到理论的科学思维方法。

教学方法：研究探索式，辅以多媒体动画演示。

课时安排：第1课时：乙酸的性质及酯化反应实验（本文略去乙酸的其它性质部分）第2课时：酯化反应问题讨论
教学过程
第一课时
【过渡】我国是一个酒的国度，五粮液享誉海内外，国酒茅台香飘万里。

“酒是越陈越香”。

你们知道是什么原因吗？
【板书】乙酸的酯化反应
【学生实验】乙酸乙酯的制取：学生分三组做如下实验，实验结束后，互相比较所获得产物的量。

第一组：在一支试管中加入3 mL乙醇和2 mL乙酸，按教材P71，图3-16连接好装置，用酒精灯缓慢加热，将产生的蒸气经导管通到盛有饱和碳酸钠溶液的接受试管的液面上，观察现象。

第二组：在一支试管中加入3 mL乙醇，然后边振荡边慢慢加入2 mL浓硫酸和2 mL乙酸，按教材P71，图3-16连接好装置，用酒精灯缓慢加热，将产生的蒸气经导管通到盛有水的接受试管的液面上，观察现象。

第三组：在一支试管中加入3 mL乙醇，然后边振荡边慢慢加入2 mL浓硫酸和2 mL乙酸，按教材P71，图3-16连接好装置，用酒精灯缓慢加热，将产生的蒸气经导管通到盛有饱和碳酸钠溶液的接受试管的液面上，观察现象。

强调：①试剂的添加顺序；
②导管末端不要插入到接受试管液面以下；
③加热开始要缓慢。

【师】问题①：为什么要先加入乙醇，然后边振荡边慢慢加入浓硫酸和乙酸？
【生】此操作相当于浓硫酸的稀释，乙醇和浓硫酸相混会瞬间产生大量的热量,并且由于乙醇的密度比浓硫酸小，如果把乙醇加入浓硫酸中，热量会使得容器中的液体沸腾飞溅，可能烫伤操作者。

【师】问题②：导管末端为什么不能插入到接受试管液面以下？
【生】防止加热不均匀，使溶液倒吸。

【追问】除了采用这样一种方法防止倒吸外，此装置还有哪些其它改进方法？
【生】可以将吸收装置改为导管连接干燥管，干燥管下端插入液面以下防止倒吸（或其它合理方法）。

【师】问题③：为什么刚开始加热时要缓慢？
【生】防止反应物还未来得及反应即被加热蒸馏出来，造成反应物的损失。

【师】所以此装置也可以看作是一个简易的蒸馏装置，那么，装置的哪一部分相当于蒸馏烧瓶？哪一部分相当于冷凝管？
【生】作为反应容器的试管相当于蒸馏烧瓶，导管相当于冷凝管，不是用水冷却而是用空气冷却。

【追问】开始时缓慢加热是不是在产物中就不会混入乙酸和乙醇了？如何验证？
【生】用蓝色石蕊试纸来检验，如果变红，说明有乙酸；乙醇可以用红热的铜丝与之反应后显红色来检验。

【师】①盛有饱和碳酸钠溶液的试管不能用石蕊来检验是否含有乙酸，其实只要将试管振荡一下，看是否有气泡逸出就可以了；
②接受试管中有大量的水，其中溶解的少量乙醇可能无法通过CuO与乙醇的反应来验证，但可根据有乙酸挥发出来，推知也会有乙醇挥发出来。

【师】接受试管中有什么现象？所获得产物的量多少如何？
【总结】第一组接受试管内无明显现象，第二、三组实验中接受试管内有分层现象，并有浓厚的果香气味。

从对比结果来看，第一组做法几乎没有收集到产物；第二组做法得到一定量的产物；第三组做法收集到的产物的量最多。

【布置课后讨论题】
①为什么第一组做法几乎没有得到乙酸乙酯？
②第二组做法比第三组做法得到的乙酸乙酯的量明显少，试分析原因，并设计实验证明你的分析是正确的（欢迎大家到实验室进行实验）。

③你对酯化反应有哪些方面的认识？请查阅相关资料后回答。

第二课时
【引入】回忆上节课的实验和课后讨论题。

问题①：为什么第一组做法几乎没有得到乙酸乙酯？
【答】CH3COOH跟C2H5OH发生酯化反应是有机物分子间的反应，在不加浓硫酸时，即使在加热条件下，反应速率仍很慢，所以当混合物加热时，蒸气成分是CH3COOH和C2H5OH的蒸气，乙酸乙酯的蒸气极少甚至可以说没有，当然在Na2CO3溶液的液面上不会收集到乙酸乙酯。

由此可见，浓硫酸主要起催化作用，其次，因为制取乙酸乙酯的反应是可逆的，所以浓硫酸也能除去
生成物中的水，有利于反应向生成物方向进行。

【板书】1、浓硫酸的作用：催化剂；除去生成物中的水，使反应向生成物方向进行。

【师】在该反应中，为什么要强调加冰醋酸和无水乙醇，而不用他们的水溶液？
【生】因为冰醋酸与无水乙醇基本不含水，可以促使反应向生成酯的方向进行。

【师】在上一节的实验中，为了获取更多的乙酸乙酯，我们除了利用浓硫酸除去生成物中的水，促使反应向生成物方向进行外，还用到了其它什么方法促使反应向生成物方向进行？
【生】制取乙酸乙酯的实验同时还是一个简易的蒸馏装置，边反应边蒸馏，使生成物及时从反应体系中分离出去，也有利于试管内的反应向生成物方向进行。

问题②：第二组做法比第三组做法得到的乙酸乙酯的量明显少，试分析原因，并设计实验证明你的分析是正确的。

【答】由于加入了催化剂浓硫酸，反应速率大大加快了。

加热时，蒸馏出的蒸气的成分是乙酸乙酯、乙醇和乙酸，冷凝成液体后收集在盛水的试管中，但乙酸和乙醇是溶于水的，乙酸乙酯作为有机物，又易溶于乙酸和乙醇这样的有机溶剂中，所以必然有部分乙酸乙酯溶在乙酸和乙醇的水溶液中，因而收集量减少；但试管中如果盛放Na2CO3溶液，可以除去乙酸，溶解乙醇，减少乙酸乙酯在溶液中的溶解量，提高收集效率，并提高乙酸乙酯的纯度，因而收集量要多。

【板书】2、饱和碳酸钠溶液可以除去乙酸，溶解乙醇，减少乙酸乙酯在溶液中的溶解量。

【实验证明】取等浓度、等体积的乙酸（或乙醇）溶液和碳酸钠溶液，分别盛放于两支试管中，再分别加入等体积乙酸乙酯，振荡后静置，结果是盛乙酸（或乙醇）溶液的试管中的乙酸乙酯变少，另一个几乎无变化。

（需要注意的是，在此，学生往往会提出乙醇没有与Na2CO3反应的问题，更进一步的解释应是“冷凝液中的乙酸被Na2CO3中和生成CH3COONa，CH3COONa和溶液中大量的Na2CO3都属于离子化合物，增强了溶剂的极性，降低了乙酸乙酯在溶液中的溶解量”。

但考虑到分子的极性和相似相溶原理在选修3《物质结构与性质》中才学习到，因此暂不宜引申）
问题③：你对酯化反应有哪些方面的认识？
【答】酯化反应是指酸跟醇反应生成酯和水的反应（与将来在选修5中要讲到的醇跟氢卤酸的反应相区别）。

【板书】3、酯化反应：酸跟醇反应生成酯和水的反应。

【设疑】在上述反应中，生成水的氧原子由乙酸的羟基提供，还是由乙醇的羟基提供？用什么方法可以证明呢？
【分析】脱水有两种情况，（1）酸脱羟基醇脱氢；（2）醇脱羟基酸脱氢。

在化学上为了辨明反应历程，常用同位素示踪法。

即把某些分不清的原子做上记号，类似于侦察上的跟踪追击。

事实上，科学家把乙醇分子中的氧原子换成放射性同位素18O，结果检测到只有生成的乙酸乙酯中才有18O，说明脱水情况为第一种，即乙酸与乙醇在浓硫酸作用下发生酯化反应的机理是“酸脱羟基醇脱氢”。

放射性同位素示踪法可用于研究化学反应机理，是匈牙利科学家海维西
(G.Hevesy)首先使用的，他因此获得1943年诺贝尔化学奖。

【板书】反应机理：酸脱羟基醇脱氢
【动画演示】用3D动画演示乙酸与乙醇发生酯化反应的过程，使学生加深对反应机理的认识。

【师】还记得我们在讲酯化反应的开始提到的问题吗？为什么“酒是越陈越香”？请大家结合所学过的醇和酸的知识做出解释。

【生】酒在放置过程中，其中的乙醇有部分逐渐转化为乙酸，乙酸和乙醇缓慢反应生成了
具有香味的乙酸乙酯。

【师】很多鲜花和水果的香味都来自酯的混合物。

现在还可能通过人工方法合成各种酯，用作各种饮料、糖果、香水、化妆品等的香料。

【小结】略
【作业布置】略
【板书设计】乙酸的酯化反应
1. 浓硫酸的作用：催化剂；除去生成物中的水，使反应向生成物方向进行。

2. 饱和碳酸钠溶液可以除去乙酸，溶解乙醇，减少乙酸乙酯在溶液中的溶解量。

3. 酯化反应：酸跟醇反应生成酯和水的反应。

反应机理：酸脱羟基醇脱氢。