化学反应条件的优化-合成氨 教学设计

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨山东福山第一中学王珊娜【教学目标】：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；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控制在工业生产中的重要作用。

过程与方法：在化学反应的方向、限度、速率等理论为指导的基础上带领学生选择适宜的反应条件，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，寻找工业合成氨生产的最佳条件。

情感态度与价值观：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。

教学重难点：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。

课型：新课课时安排：１课时【教材分析】在本章的前三节课分别分析了化学反应的方向，化学反应速率和化学反应的限度，而对于实际工业生产来说，不能只是单一的考虑一方面。

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。

所以在本节教材中充分体现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，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反应速率和化学平衡原理，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】在前三节的学习中，学生们已经掌握了温度、浓度等外界条件对化学平衡和化学反应速率的影响，具有了相应的理论知识基础。

这部分的知识比较抽象，学生学起来感觉不容易理解，在学习过程中需要老师去引导，循序渐进。

在复习前面的基础知识的基础上，讨论合成氨反应的特点，进而探讨工业生产所需的合适条件都需要考虑的因素，以及符合解决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的问题。

【教学过程】：【温故知新】1、影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些？、2、A+B C A B+C 3A B+C 平衡后分别通1molA，A的转化率怎么变？【学生】回答【强调】1、压强对于速率和平衡的影响，必先影响到浓度。

2、催化剂只能改变化学反应速率，不能改变化学平衡状态。

【教师】介绍氨气的用途。

今天这节课我们就看看如何利用前三节课化学反应的有关知识将一个化学反应合成氨实现工业化。

【情感教育】弗里茨·哈伯【讨论：】假如你是一个化工厂的老板，对工业生产你主要应考虑哪些问题？【学生讨论得出结论】经济效益和社会效益【教师讲解】【提问】观察合成氨的化学反应，说明合成反应的特点：【投影】N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol【学生】①可逆反应②熵减小③气态物质系数减小④放热反应【交流·研讨】1、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？P65 ２、请利用化学平衡移动的知识分析，什么条件有利于氨的合成？【板书】第四节化学反应条件的优化——工业合成氨一、合成氨反应的限度【交流·研讨】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。

P65 【投影】【学生观察 得出结论】【板书】： 降低 温度、 增大 压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N 2、H 2体积比为 1：3 时平衡混合物中氨的含量最高。

【板书】二、合成氨反应的速率 【交流·研讨】P661、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:ν =κC (N 2)C 1. 5(H 2)C —1(NH 3) ， 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：催【学生回答】1.升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂2.增大N 2、H 2浓度,将氨及时从混合气中分离出去，可加快速率。

3.使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。

条件 △ E /KJ/molk(催)/k(无) 无催化剂335 3.4×1012(700k)使用Fe 催化剂 167【板书】三、合成氨的适宜条件【交流·研讨】【分析】1、压强的选择①合成氨，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。

②缺点：压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大。

【结论】综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。

【分析】2、温度的选择①合成氨是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。

②缺点：温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。

【投影】【思考】你又得到什么结论？③特殊因素：催化剂要在一定温度下催化活性最大。

【结论】综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。

【分析】3、催化剂的选择经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，单位时间的产量要高。

【结论】实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。

【分析】4、浓度的选择，N2和H2的比例的选择【投影】【思考】上述图像，你又得到什么结论？【学生分析】增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。

从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。

【结论】实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。

【投影】研讨的结果外部条件工业合成氨的适宜条件压强根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强温度适宜温度700K左右催化剂使用铁触媒作催化剂浓度N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去NH3%0.60.50.40.30.20.11：1 1：2 1：3 1：4 1：5 1：6 n(N2):n(H2)【板书】适宜条件：700K左右；铁触媒；氮氢比例1：2.8【小结】投影：【教师小结】工业上利用某可逆反应生产产品：1、一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；2、选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；3、选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。

【当堂练习，投影】工业制造硫酸的主要反应为:2SO2(g) + O2(g) === 2SO3(g) △H=-197.8 KJ/mol ①SO3(g) + H2O(l) === H2SO4 (aq) ②反应①的平衡常数K随温度升高而减小.所用催化剂的主要成分为V2O5(6％-12％) 、K2SO4(17％-20％) 、SiO2(50％-70％),能使催化剂中毒的物质有砷、硒、氟等.请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反应的工艺条件(温度、压强、原料气配比等)对工业生产硫酸的影响.已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) △H＜0其实验数据见表（1）应选用的温度是450℃。

（2）应采用的压强是常压，理由是因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。

（3）在生产中，通入过量空气的目是。

（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。

【主板书】第四节化学反应条件的优化——工业合成氨一、合成氨反应的限度二、合成氨反应的速率ν =κC(N2)C1. 5(H2)C—1(NH3)三、合成氨的适宜条件1、一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；2、选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；3、选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。

【巩固练习】1、下列有关合成氨工业的说法中，正确的是（）A. 从合成塔出来的混合气体。

其中氨气只占13%－14%，所以生产氨的工厂的效率都很低B. 由于氨易液化，氮气、氢气是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高C. 合成氨反应温度控制在500℃左右，目的是使化学平衡向正方向移动D. 合成氨采用的压强是2×107~5×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大2、对于可逆反应N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)（正反应为放热反应），下列说法正确的是（ ）A ．达到平衡后加入N 2，当重新达到平衡时，NH 3的浓度比原平衡的大，N 2的浓度比原平衡的小B ．达到平衡后升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH 3的产率C ．达到平衡后缩小容器体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有于提高H 2的转化率D ．加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大了，而逆反应速率减小了3、某工业生产中发生反应：2A(g) + B(g) 2M(g) ΔH ＜0，下列有关说法正确的是（ ）A ．工业上合成M 时，一定采用高压条件，因为高压有利于M 的生成B ．由于物质B 价廉易得，工业上一般采用加入过量的B ，因加入过量的B 可以增大正反应速率，减小逆反应速率，从而提高A 的转化率C ．工业上一般采用较高温度合成M ，因温度越高， 反应物的转化率越高D ．工业生产中会采用催化剂，因为使用催化剂可提高 M 的日产量 4. 如图表示反应N 2(g)+3H 2(g)催化剂 高温高压2NH 3(g)（正反应是放热反应）在某些时间段中反应速率与反应过程的曲线关系图，则氨的百分含量最高的一段时间是（ ）A 、 t 0—t 1B 、 t 2—t 3C 、t 3—t 4D 、 t 5—t 65、在一定条件下，可逆反应：N 2(g)+3H 2(g)2NH 3(g) △H＜0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（ ）A 、加催化剂，V 正、V 逆都发生变化且变化倍数相同B 、加压，V 正、V 逆都增大C 、降温，V 正增大，V 逆减小D 、恒压条件下，加入氩气，V 正、V 逆都减小【课后作业设计】：1、对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是（ ）①高温 ②低温 ③低压 ④高压 ⑤催化剂 ⑥加氨 ⑦除氨 A.②④⑤ B.②④⑦ C. ①④⑤ D.②③⑥ 2、在一定条件下，可逆反应N 2＋3H 22NH 3 ΔH< 0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（ ）v v (逆))v (逆)t 4t 5t 3 t 2 t 1t 0tv (正))v (正)v (逆)v (正)t 6A.加入催化剂，V正、V逆都发生变化，且变化的倍数相等B.加压，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数C.降温，V正、V逆都减小，且V正减少的倍数大于V逆减少的倍数D.加入氩气，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数3、在密闭容器中进行如下反应已达到平衡，N2＋3H22NH3ΔH< 0，其他条件不变时，若将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的２倍，则下列说法中正确的是（）A.平衡不移动B.平衡向正方向移动C.平衡向逆反应方向移动D.NH3的百分含量减小4、一定温度下，在容积为VL的密闭容器中进行aN(g) bM(g)，M、N 的物质的量随时间的变化曲线如图所示：(1) 此反应的化学方程式中a/b=(2) t1到t2时刻，以M的浓度变化表示的化学反应速率为__________________.(3) 此反应达到平衡时，反应物的转化率为(4) 当反应aN(g) bM(g) 达平衡后①若再充入N达到新平衡后N的百分含量将（填“增大、减小、不变”，下同）②若再充入xmol N和ymol M、且x/y＞a/b时，则达到新平衡时混合气体的平均摩尔质量将 ________5、把氮气和氢气按１：１的物质的量比混匀后分成四等份，分别同时充入A、B、C、D四个装有催化剂的真空容器中（容器的容积固定），在保持相同温度的条件下，四个容器中的合成氨反应达到化学平衡状态。