第二单元 化学反应的方向和限度教案教学设计导入整理

化学反应速率和限度复习课

——工业合成氨

一、教学内容分析

本节是在苏教版高中化学选修4《化学反应原理》

“化学反应的速率”、“化学反应的限度”之后开设的一节课，是对这两节知识的综合应用。

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。本节以合成氨反应为研究对象，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，从而体会化学理论的学习对生产实践的指导作用。

二、学生学习情况分析

学生在前面的学习中，对化学平衡理论和化学反应速率理论有了一定程度的认识。经过高中一年的训练，学生善于质疑、主动思考、积极获取知识的学习习惯已基本养成，参与意识、合作意识已有较明显提高。他们正处于生理的高速发展期，认识能力和知识水平都达到了较高的层次，他们正经历着从习惯于感性思维、形象思维向更加关注理性思维、抽象思维的转轨期，所以在教学中注意引导学生分析、讨论，使他们的认识过程从直观的体验和想象上升到理性的思维阶段。

三、设计思想

根据本节内容，先让学生就合成氨反应的热力学、动力学问题分别进行讨论，再综合考虑工业生产中的各种因素，对合成氨反应的适宜条件进行选择。将本节的教学过程分为三个环节：①氨在日常生活中的重要用途导入本节，再从热力学角度书写工业合成氨的热化学方程式，分析反应的特点；②利用学过的化学平衡和化学反应速率理论讨论合成氨的适宜条件；③综合考虑合成氨生产中动力、设备、材料、生产效率等因素，寻找工业合成氨的优化生产条件，及工业生产的一般遵循条件。

四、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调控在工业生产中的重要作用。

过程与方法：

1．通过对合成氨适宜条件的研究选择，学会把握主要矛盾、统筹兼顾解决问题的能力，培养理论联系实际的能力；

2．在运用理论解决问题的过程中，进一步加深对所学理论的理解，提高实际应用能力；

1

3．通过讨论、交流发现问题和解决问题，体验合作学习的过程和乐趣。

情感态度与价值观：

1．初步形成从多方面综合思考问题的意识；

2．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。

五、教学重点和难点

重点：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。

难点：如何引导学生应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和和方法。

六、教学过程设计

[导入]氨在日常生活中的用途。问题：工业如何合成氨？

[学生]氮气和氢气反应。

[联想质疑] 利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，经历了约130年的时间。化学反应N2(g) + 3H2(g) ⇌

2NH3(g)看起来十分简单，但是从第一次实验室研制到工业化投产，经历了约150年的时间，最早的科学家哈伯带领团队经过无数次的尝试和实验，1913年氨实现第一次工业化生产，因此，哈伯获得1918年化学诺贝尔奖。为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的发展过程？（倾听、思考） [问题]根据提供的信息写出工业合成氨的热化学方程式。

键能：H-H:436kJ /mol

N≡N: 946kJ/mol

N-H:391kJ/mol

[思考、讨论] N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

△H = -92.2 kJ·mol-1

[提问] 合成氨反应的特点。（可逆反应、热效应、反应前后气体数的变化）

[补充] 常温下，合成氨的平衡常数K=4.1×106。

[设问] 从平衡常数中可以看出常温下合成氨是可以进行的，为何没有发生？

[猜想]氮气非常稳定不易发生反应、该反应的活化能太大、反应速率太慢了、、、、、、

[引入] 这么慢的反应速率符合工业的生产宗旨吗？（生产的宗旨：生产的快又多）

应从哪些方面选择合成氨的反应条件呢？（从反应限度和反应速率两个方面）

[交流研讨] 浓度、温度、压强、催化剂。

[交流研讨] 请利用化学平衡移动和化学反应速率的知识分析什么条件有利于氨的合成。

外界条件

压强

使NH3生产的多

使NH3生产的快

平衡分析

高压

2

速率分析

高压

温度

催化剂

反应物的浓度

生产氨的浓度

低温

无影响

增大浓度

减少浓度

高温

使用

增大浓度

减少浓度

[讨论]（1）增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中，压强是否越大越好？

（2）降低温度有利于化学平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？

（3）催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？

（4）在合成氨工业中，反应物N2和H2的浓度比例应该如何确定？

[交流研讨] 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：

条件

无催化剂

使用铁催化剂

Ea / kJ·mol-1

335 167 v (催) / v(无) 3.4×1012(700K)

（引导学生回答）使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高很多倍，且催化能力最强的最适温度700K左右。

[史话]哈伯利用金属锇做催化剂进行工业生产。锇是一种贵金属，储量较少，开采成本较高，工业生产中做催化剂不划算。且在反应中锇容易被氧化，锇蒸汽有剧毒，强烈刺激人眼黏膜，严重时会造成失明，寻找一种安全、廉价的催化剂已经迫在眉睫。德国科学家博施及助手先后试验了2500种配方，进行了6500次试验，终于确定使用铁触媒作为工业合成氨的催化剂，获得了1931年化学诺贝尔奖。

[延伸]如果能寻找一种常温下高效催化剂，又将成就一个诺贝尔化学奖。

[交流研讨] 实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率和参与反应的物质的浓度的关系式为：ν = k c (N2) c1.5(H2) c -1(NH3)。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？（合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，3

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）。可以采取哪些措施来提高反应速率？（增大N2、H2浓度，将NH3及时从混合气中分离出去）

（引导学生回答）在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大。

[讨论] （1）理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求高、压缩N2和H2需要的动力大，因此应根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。

（2）虽然降低温度有利于平衡正向移动，但是温度越低反应速率越小，达平衡所需要的时间越长，因此温度不宜太低。此外，铁催化剂在700K左右的催化活性最大。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）。

（3）：需要。使用催化剂可以提高合成氨反应的速率，实际生产中选用铁催化剂。

（4）：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。

[投影] 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。（观看投影，获取信息）

[板书] （研讨的结果）

外部条件

压强

温度

催化剂

浓度

工业合成氨的适宜条件

适当高压，一般在2×107～5×107Pa 适宜温度，700K左右

使用铁催化剂

适时将产物氨液化分离，未转化的N2和H2进行循环利用。适当提高氮氢比，n(N2)：n(H2)=1：2.8。

[小结] 关于合成氨的工业化生产

（1）合成氨的工业条件的选择——反应速率和化学平衡共同作用的结果

（2）选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。

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（3）此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气（氮气和氢气）的循环使用、反应热的综合利用等问题。

[当堂训练] 思考：

1、上述反应的特点？

2、工业生产过程中常采用过量的空气，有何作用？

3、硫酸工业中，为何采用400-500℃高温呢？

4、合成氨采用加压的方法，为何SO2的氧化不采用高压呢？

[设问] 选择适宜生产条件的原则是什么？（讨论出注意浓度、压强、温度、催化剂等对反应速率和化学平衡的共同影响）

[投影] 工业生产中选择适宜生产条件的思路：

1．分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。

2．根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响。

3．从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。

（理解并笔记）

[随堂检测] 1.有如下平衡体系： CO（g）+2H2（g）⇌ CH3OH(g)（正反应为放热反应），为了增加甲醇的日产量，应采取的正确措施是（ ）

A.高温、高压 B.低温、低压

C.适宜的温度、高压、催化剂 D.高温、高压、催化剂

2.某温度下，对于反应N2（g）+3H2（g）⇌NH3（g）；△H=-92.4kJ/mol．N2的平衡转化率（α）与体系总压强（P）的关系如图所示．下列说法正确的是（

）

A．将1.0mol氮气、3.0mol氢气，置于1L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4kJ B．平衡状态由A变到B时，平衡常数K（A）＜K（B）

C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率提高

D．增大压强，反应朝逆反应方向进行，说明逆反应方向速率增大，正反应方向速率减小

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[作业] 《世纪金榜》

[教学反思]以工业合成氨来进行化学反应速率和化学反应限度相关知识的复习，能与实际生产为背景进行复习，课堂才不会那么枯燥。另外，通过图表题的分析，进一步巩固所学的知识。

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