老师《合成氨反应及其反应条件的选择》教学设计

6.3-2《合成氨反应及其反应条件的选择》教学设计东昌中学林夕勋2011.5.3教学设计思路：以“合成氨反应的发生和工业生产反应条件的研究”历史为主线，让学生感受科学家科学探索的过程，体验科学难题研究的方法和态度对于科研研究的重要意义，同时通过对哈伯的科学精神和道德价值的认识，结合目前国内食品添加剂的安全和生产道德，对学生进行科学道德的教育，树立正确的人生价值观；在学习了化学反应速度和化学平衡移动原理以后，用该理论研究工业合成氨生产反应条件的选择，体验科学理论对工业生产的重要指导意义，同时考虑工业生产中设备、材料等的实际情况和综合的经济效益，合理地选择适宜的生产条件；通过对合成氨反应催化剂技术的发展前景的设想，体验科学发展无极限，体验科学创新精神和意识。

第一部分：阅读“勒夏特列、能斯特、哈伯”三位杰出科学家合成氨反应的研究故事，体验科学难题研究的方法和态度对于科研研究的重要意义。

第二部分：合成氨反应条件选择的理论分析和实际生产选择的讨论。

引导学生运用化学反应速率和化学平衡原理等知识，从反应速率的角度和从化学平衡的角度来分析，合成氨反应对外界条件（温度、压强、催化剂）的选择要求；再考虑合成氨生产中动力、设备、材料等的实际情况，从实际出发合理地选择合成氨的生产条件；结合合成氨生产过程示意图，简单分析浓度对合成氨生产的影响，以及原料的循环使用等问题，从提高综合经济效益的角度，来理解合成氨反应适宜条件的选择和操作要求。

第三部分：合成氨工业发展前景——催化剂技术。

（生物技术和催化剂技术——酶。

“盐酸酶能把食盐直接变成盐酸”）从拓宽学生的思路出发，主要目的不在于知识本身，而更多地应侧重于培养学生的创新精神和训练科学方法。

一．教学目标1、知识与技能（1）掌握工业合成氨的反应条件（2）掌握工业合成氨反应条件的选择依据2、过程与方法（1）通过阅读合成氨反应的发展史，体验科学家探索科学难题的过程和方法。

（2）通过对合成氨反应条件选择的讨论，理解化学理论对实际化工生产的指导意义。

3、情感态度与价值观（1）通过三位杰出科学家对合成氨反应的研究故事，感悟科学研究的态度和方法；（2）认识哈伯的科学态度和道德价值观，树立科学和道德正确的人生价值观。

(3)激发学生对化学及化学工业的兴趣.二．教学重点和难点1、重点：（1）体验科学难题探索的方法和态度，人生价值观教育；（2）合成氨适宜生产条件的选择。

2、难点：合成氨适宜生产条件的选择。

三．教学方式：阅读、讲解、问题讨论四．教学流程引入：一个化学反应能解决几十亿人的吃饭问题，有人称其为“明星反应”，你知道是哪个反应吗？学生：合成氨反应。

教师：板书反应方程式教师：这个反应看似简单却曾是20世纪初的世纪难题。

合成氨反应曾经使三位杰出科学家“败也辱成也辱”,成为合成氨化学发展史上的“水门事件”。

在今天看来这个显而易见的反应，在论证这个反应能否发生的问题上，却成了两位曾经的诺贝尔化学奖获得者“勒夏特列和能斯特”的滑铁卢——“败”。

德国化学家哈伯因为攻克这个世界难题，实现合成氨反应的工业化, 对人类社会发展特别是粮食的生产作出巨大贡献,而获得1918年的诺贝尔化学奖——“成”。

同时也是因为这个反应使哈伯堕落——“败”。

【资料一】：19世纪初，粮食供应已经无法满足人口增长的需求，要增加单位面积产量，人们就认识到含氮化合物的氮肥在农业中的巨大作用。

当时含氮化合物主要来自智利的硝酸钠矿石，有限的矿产资源使得含氮化合物的价格十分高，不能满足工农业的需要。

可是大气成分的五分之四都是氮气，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现“大气固氮”。

设想，当一个人发现漂浮在自己周围的不再是空气而是一个个汉堡时，他会以怎样巨大的热情投入这项工作。

法国化学家勒夏特列是合成氨的先驱。

1901年，勒沙特列，根据他提出的“平衡移动”原理，高压低温有利于氨的生成，通过理论计算，认为N2和H2在高压条件下可以直接化合生成氨。

他在用实验来验证的过程中发生了爆炸，钢制釜体的碎片穿透了地板和天花板。

他没有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险，就放弃了。

后来查明实验失败的原因是他所用混合气体中含有O2，在实验过程H2和O2发生了爆炸的反应。

在勒沙特列合成氨试验之后，德国化学家能斯特通过理论计算，竟然认为合成氨是不能进行的。

后来才发现，他在计算时误用了一个热力学数据，以致得到错误的结论。

由于能斯特在物理化学领域的权威性，人工合成氨的研究陷入了低潮。

问题1：两位科学家失败的原因是什么？对将来我们进行科学研究有什么启示？勒沙特列和能斯特的失误则给人们有益的启示，那就是：搞学问要有锲而不舍的精神，坚韧不拔的毅力和一丝不苟的工作作风。

两位科学家虽然都失败了，但是在研究方案可行性方面，为我们提供了科学研究的一般思路，那就是理论论证——实验验证。

【资料二】在合成氨研究屡屡受挫的情况下，能斯特结论的公布给同时也在研究合成氨的哈伯很大的打击。

哈伯没有盲从权威，知难而进，依靠实验来检验，通过比较，哈伯发现他所取得的某些数据与能斯特有所不同，最终证实了能斯特的计算是错误的。

问题2：根据你所学的知识，分析合成氨反应难以发生的原因是什么？什么条件下反应可能发生？【资料三】哈伯首先想到，也许高温会进行这个反应。

结果却出乎意料，当温度升高到1000℃时，氨的产量才不过是原料体积的0.012%，还不如低温度时的产量。

但是，降低反应温度时，反应却又变得十分缓慢。

哈伯的实验陷入困境，哈伯对高温法产生了困惑。

1903年，伯克兰和艾德采取在空气中放电的方法固氮。

哈伯赴美国考察，回国后也采用高压放电固氮，实验历时一年效果不尽人意。

经过慎重考虑，哈伯觉得放电法需要大量的电力，不易形成流程化，没有前途，决定再回到高温法。

1905年底，哈伯确定了氮气和氢气的混和气体在高温高压及催化剂的作用下合成氨。

但什么样的高温和高压条件为最佳？以什么样的催化剂为最好？问题3：请你分析高温法为何产量低？哈伯最终又选择了高温法的原因是什么？问题4：对于反应条件的选择工业生产需要考虑哪些因素？反应快——选择较快的反应速率。

产量多——尽量增大反应物转化率，提高单位时间产率。

效益高——充分利用原料、降低能耗。

合成氨反应特点分析角度反应条件使NH3生成得快（化学反应速率问题）使NH3生成得多（化学平衡移动问题）速率与平衡移动条件是否一致综合考虑可逆反应反应物尽可能多的转化为产物正反应放热温度高温低温不一致正反应是气体体积减小的反应压强高压高压一致催化剂使用无影响浓度增大反应物浓度减小生成物浓度(及时分离NH3)N2、H2循环使用【资料四】经过四年几千次的实验和计算，哈伯在1908年7月在实验室用N2和H2，在600℃，200个大气压下合成出氨，产率仅有2％，却是一项重大突破。

又经过研究和改进，在1909年取得了鼓舞人心的成果：在550℃的高温、200个大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为6％的合成氨。

由于温度高，压力大，哈伯的实验装置在几天后的另一次试验中发生了爆炸，变成一堆废铁。

问题6：6%的产率并不高，影响生产的经济效益。

在温度和压强不变的情况下，如何提高原料的转化率？（哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工，并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来，则这个工艺过程在经济效益上也是可行的。

于是他成功地设计了原料气的循环工艺。

）【资料五】1909年哈伯在德国最大的化工公司“BASF”的资助下研究得以继续，巴斯夫(BASF)是全球领先的化工公司：The Chemical Company。

“BASF”公司工程师博施和总化学师米塔奇参与了耐高温高压装置和催化剂的研究。

米塔奇承担了催化剂的探索工作，为了检验催化剂的效能，他们首先在哈伯所用装置的基础上，重新设计和制造了24台可以连续运转的小型高温高压反应器，从1909年开始应用这种装置对制出的2500种催化剂多次加以检测，两年间进行了多达6500次试验。

结果发现在磁性氧化铁中加人2% -6%氧化铝以及0. 2% -0. 6%钾的复合催化剂特别有效，而且此后再没有找到更好的。

博施承担了制造耐高温高压的装置，博施等人通过多次试验。

1910年制出两个较小的反应器(转化器)作为生产装置，它是一个高2. 5m、内径约15 cm、壁厚30 mm的钢管，但都在工作80 h后爆裂了。

研究原因再次改进。

1911年3月又开始采用新装置生产，经过一个月无事故运转后又进一步扩大装置。

但随着规模增大，又出现许多高压附属设备如压缩机、管道等也不断发生破损。

博施等人又用去大量时间，按照设备使用目的，对10万种以上配件，设定了制造标准和要求。

最终博施采用双层结构的方式才解决了设备耐高温高压问题，德国化学家博施在建造合成塔的时候，把设备改造成里外两圆筒具有双壁的装置，冷的高压原料气由两壁间空隙导入，实现了输人气体和排出气体间的热交换。

1912年在德国奥堡建成世界上第1个合成氨装置：一座高8 m、直径45 cm、重3. 5 t的反应器，次年开始产氨，年产氨8740 t，人们称之为哈伯-博施法。

博施因在化工设备耐高温高压方面的巨大贡献也获得了1931年的诺贝尔化学奖。

问题7：哈伯-博施法合成氨工艺中如何体现节能减排的？（原料气的制取、净化、压缩——合成塔中进行NH3的合成——NH3的分离和N2、H2的循环压缩使用。

）【资料六】当哈伯的工艺流程展示之后，立即引起了早有用战争吞并欧洲称霸世界的野心的德国军政要员的高度重视，为了利用哈伯，德国皇帝也屈尊下驾请哈伯出任德国威廉研究所所长之职。

而恶魔的需要正好迎合了哈伯想成百万富翁的贪婪心理。

到了第一次世界大战期间的1915年，BASF的氨产量已达6万吨。

为侵略者制造了数百万吨炸药因而导致并蔓延了这场殃祸全球的世界大战。

哈伯的最大可耻在于第一次世界大战期间,首开化学毒气用于战争的先河，为德国政府研制化学武器。

“毒气战”造成英法联军约15000人中毒,并带走了5000多人的性命。

不过,这场毒气战最终并没有给德国人带来胜利,却让哈伯陷入了众叛亲离的境地。

哈伯的妻子克拉克也是化学博士,很清楚毒气的危害。

当她恳求丈夫放弃这种惨无人道的武器时,丈夫不听劝阻还咒骂她。

愤怒和无奈之下,克拉克用哈伯的手枪自杀身亡。

但这并没有促使狂热的“爱国者”冷静下来。

1918年，哈伯因研制合成氨作出重大贡献而获得诺贝尔化学奖，由于第一次世界大战中哈伯为德国军方研制杀人化学武器，哈伯被战胜国列入战犯名单。

他的获奖受到美、英、法等国科学家的指责，认为不应把此奖授予一位不人道的科学家。

在得知自己获奖的消息后,还只能躲在瑞士的乡下。

他非常害怕自己会被当做战犯审判。

哈伯很清楚在过去的几年里,自己在战场上犯下了怎样的罪行。