鲁科版选修4《化学反应原理》教案：2.4《化学反应条件的优化——工业合成氨》(第1课时)

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨

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

教学过程：

【提问】影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些？

【学生】回答

【注意】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】今天这节课我们就看看如何利用化学反应的有关知识将一个化学反应实现工业化，我们以工业合成氨为例。首先我们看看合成氨的有关背景。

【投影】展示弗里茨·哈伯的图像

【投影】弗里茨·哈伯与合成氨

合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。

【交流·研讨】P65

合成氨反应是一个可逆反应: N 2(g)+3H 2(g)

2NH 3(g)

已知298K 时: △H= -92.2KJ·mol —1 ， △S = -198.2J·K —1·mol —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？ 298K 下合成氨反应的平衡常数K 为4.1×106（mol·L —1)—2 【学生】假设△H 和△S 不随温度变化，算得T<465.2K 。 【提问】观察合成氨的化学反应，说明合成反应的特点： 【投影】N 2(g) + 3H 2(g)

2NH 3(g) △H ＝-92.2kJ/mol

(1体积) (3体积) (2体积)

【学生】①可逆反应 ②熵减小的反应 ③正反应气态物质系数减小 ④正反应是放热反应 【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】

【学生回答】 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】P66

1、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？

NH 30.60.50.4

0.3 0.2 0.1 1：1 1：2 1：3 1：4 1：5 1：6

n(N 2):n(H 2)

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：

化剂对合成氨反应速率的影响 【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

3.使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。

【板书】三、合成氨的适宜条件 【【分析】1、压强怎么选？

①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，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但是压强越大，对设备的要求高、压缩H 2和N 2所需要的动力大，因此选择压强

应符合实际科学技术。

【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、温度怎么选择？

①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。

②可是温度越低，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。

③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、用不用催化剂？

经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，原料的利用率要高，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、浓度怎么定？N2和H2的比例怎么定？

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。

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

【板书】合成氨的方程式（注意条件）【小结】