课题2　人工固氮技术──合成氨教案教学设计导入设计

课

题

教

学

目

的

教 学 设 计

课题

颇具争议的哈伯

1、了解哈伯的事迹。

2、了解氨的工业合成原理，体会到从实验室研究到工业化生产所要解决的主要问题，认识化学原理对生产技术的指导作用。

3、通过了解合成氨的生产工艺，对学生进行爱国主义教育，培养学生热爱科学、敢于创新的优良品质。

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析

教

学

过

程

重哈伯的事迹

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氨的工业合成原理

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1节

【复习】工业是怎样合成氨？

学生书写合成氨的化学方程式。

问题1、氨有什么用途？氨的工业合成有什么意义？

[展示] 氨在国民经济中占有重要的地位，约有80%的氨用来制造化肥，其它的用作生产化工产品的原料。

氨的工业合成有非常重要的意义：氨的工业合成实现了氮肥的工业化生产，解决了世界粮食危机；合成氨生产技术的创立不仅开辟了人工固氮的途径，更重要的是对整个化学工业技术的发展产生了重大影响，为此曾两次获得诺贝尔化学奖。

[图片展示] [过渡] 【哈伯人物介绍】

在化学发展史上，有一位化学家，虽早已长眠地下，却给世人留下了关于他的功过是非的激烈争论。他就是上世纪初世界闻名的德国物理化学家、合成氨的发明者弗里茨·哈伯。赞扬哈伯的人说:他是天使，为人类带来丰收和喜悦，是用空气制造面包的圣人;诅咒他的人说:他是魔鬼，给人类带来灾难、痛苦和死亡。针锋相对、截然不同的评价，同指一人而言，令人愕然;哈伯的功过是非究竟如何，且看这位化学家一生所走的辉煌而又坎坷的道路。

1868年12月9日哈伯出生于西里西亚的布雷斯劳(现为波兰的弗罗茨瓦夫)，他对化学工业有着浓厚的兴趣。他对电化学领域曾做过许多研究：对电化学还原的研究、对燃料电池的研究、对铁的电化学的研究、对电极过程的本质的研究等对电解还原和氧化领域的研究起到了极大的推动。他也曾对热力学第三定律进行过研究，但他最著名的还是氨的合成研究。当时，实验室已经通过氮和氢的混合气体，在催化剂的作用下，可以连续合成氨。但是，最大产率总是受到氨平衡的制约。哈伯决定首先研究这个问题。他的第一个探索实验，是在1020℃下，以铁作催化剂合成氨。虽然哈伯完全清楚高压

对氨合成有利，他还是选择了一个大气压，因为需要的设备简单。出乎哈伯的预想，实验非常顺利，第一次就实现了氨的平衡。然而，氨的浓度很低。高的产率可能是新制铁催化剂的特殊作用。确定氨平衡状态的最初目的达到了，他用这段话描述了他的实验结果:"将反应管加热到暗红热以上，在常压下，不用催化剂，顶多只有痕量的氨产生，即使极大地增大压力，平衡位置依然不理想。在常压下，使用催化剂，要获得实际成功，温度不能高于300℃。"看来直接合成氨作为工业固氮的基础，似乎没有多大的希望。经过反复试验，哈伯调整了压强变化，这次是在30个大气压下进行实验。他们的设备也非常简单，但能极好地满足实验目的。通过氨的热分解，得到氮和氢的混合物，将其通过装有铁或锰催化剂的厚壁石英管。然后，平衡混合物被迅速移走，进行冷却分析。哈伯根据新数据发现，氨的产率能够高到适用于工业目的，只是条件苛刻，不易达到。例如，在600℃，200个大气压下，氨的转化率达8%。但当时压缩机所能达到的最大压强也就是200个大气压，还没有大规模的化学操作使用过如此高的压力，而且最好的催化剂(铁、锰、镍)在700℃时活性大大降低。因此，如果克服了催化剂和高压的障碍，无疑将开辟一条工业合成氨的光明之路，固氮的问题也就迎刃而解。哈伯接受了这个挑战，他和和作伙伴设计制造出了一种转化器，它安装在钢制的高压弹中，在200个大气压下能正常运转。万事皆备，只欠找到一种活性更高的催化剂。经过长时间探索，发现在550℃以下，锇具有高的催化活性，可惜锇太稀少。后来证明铀有同样高的催化活性。从根本上讲，问题已经得到解决。使用新的装置，铀做催化剂，在550℃，150~200大气压下，氨的浓度已经很高了。在工作压力下，经适度冷却，氨被液化而分离，而气体混合物通过转化器、压缩器和循环泵的封闭系统进行循环利用，同时不断输入适量的新鲜气体混合物，最后安装一个热交换器，这套装置简直就是一个小型工厂，每小时生产数百毫升液氨，而且能耗极低。工业化合成氨的前景，似乎一片光明。但是，实验室的方法很少能直接用于工业生产，必须对实验装置进行改进。

合成氨是哈伯一生最大的成就，哈伯的合成氨的设想终于在1913年得以实现，一个日产30吨的合成氨工厂建成并投产。从此合成氨成为化学工业中发展较快，十分活跃的一个部分。合成氨生产方法的创立不仅开辟了获取固定氮的途径，更重要的是这一生产工艺的实现对整个化学工艺的发展产生了重大的影响。合成氨的研究来自正确的理论指导，反过来合成氨生产工艺的研试又推动了科学理论的发展。鉴于合成氨工业生产的实现和它的研究对化学理论发展的推动，于1919年把诺贝尔化学奖授予了哈伯。

问题2：勒夏特列与哈伯在合成氨实验中所体现出来的精神，你想到什么？

讲述：哈伯的合成氨工艺流程：（1）原料气的制取与净化（与教材内容相同）。（2）合成氨条件的确定。哈伯在1909年取得成果：

在600℃、200个大气压和锇作为催化剂的条件下，得到了产率约为8％的氨。（3）循环压缩工艺。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，就提高原料的转化率，则这个工艺过程在经济效益上也是可行的，于是他设计出循环工艺。（4）待解决

的主要问题：催化剂为锇，锇为贵重金属，地壳含量极为稀少。

问题3：课本上合成氨的条件与哈伯的条件有何不同？

讲述：哈伯将工艺申请了专利后，把它交给了德国当时最大的化工企业——巴登苯胺和纯碱制造公司。公司的化工专家波施（C．Bosch）决心研究一种廉价易得的催化剂。对各种金属及矿物进行比较分析，最后用天然磁铁矿实验，发现具有良好效果，但同时发现存在表面半熔现象而极大降低其活性，得掺入其他物质以克服这一消极因素，这些助剂的组成和比例，使他们颇费周折，据说经过两万多次实验，终于得到了理想的含有少数K、Mg、Al和Ca的铁组催化剂——铁触媒。这一成果极大地促进了合成氨工业的普及和发展，因此波施获得了1931年诺贝尔化学奖。波施还采用纯铁作合成塔衬里克服高压下氢气使钢铁脱碳的问题，从而真正地使合成氨从实验室走向生产，1913年第一个日产30吨的合成氨厂在德国出现。当时只有德国掌握合成氨的生产工艺。

问题4：铁触媒的最佳活性温度为500℃，从而使合成氨的温度从600℃降到500℃，你认为有何经济效益？理论联系实际说明今后合成氨催化剂的研究方向。

讲述：浙江工业大学刘化章教授研究出ZA—5型低温低压合成氨催化剂，能使合成氨反应温度降低15℃—25℃，操作压强降低2-3MP，大大降低生产成本，因此此项发明获得了浙江省科技进步一等奖。

但一些英、法科学家认为哈伯没有资格获取诺贝尔奖，究竟是为什么?有人曾认为，假若没有合成氨工业的建立，德国就没有足够的军火储备，军方就不敢贸然发动第一次世界大战。有了合成氨工业，就可以将氨氧化为硝酸盐以保证火药的生产，否则仅依靠智利的硝石，火药就无法保证。当然某些科学的发明创造被用于非正义的战争，科学家是没有直接责任的。英、法科学界对哈伯的指责更多地集中在哈伯在第一次世界大战中的表现。

1914年世界大战爆发，民族沙文主义所煽起的盲目的爱国热情将哈伯深深地卷入战争的漩涡。他所领导的实验室成了为战争服务的重要军事机构:哈伯承担了战争所需的材料的供应和研制工作，特别在研制战争毒气方面。他曾错误地认为，毒气进攻乃是一种结束战争、缩短战争时间的好办法，从而担任了大战中德国施行毒气战的科学负责人。

根据哈伯的建议，

1915年1月德军把装盛氯气的钢瓶放在阵地前沿施放，借助风力把氯气吹向敌阵。第一次野外试验获得成功。该年4月22日在德军发动的伊普雷战役中，在6公里宽的前沿阵地上，在5分钟内德军施放了180吨氯气，约一人高的黄绿色毒气借着风势沿地面冲向英法阵地(氯气比重较空气大，故沉在下层，沿着地面移动)，进入战壕并滞留下来。这股毒浪使英法军队感到鼻腔、咽喉的痛，随后有些人

窒息而死。这样英法士兵被吓得惊慌失措，四散奔逃。据估计，英法军队约有15000人中毒。这是军事史上第一次大规模使用杀伤性毒剂的现代化学战的开始。此后，交战的双方都使用毒气，而且毒气的品种有了新的发展。毒气所造成的伤亡，连德国当局都没有估计到。然而使用毒气，进行化学战，在欧洲各国遭到人民的一致遣责。科学家们更是指责这种不人道的行径。鉴于这一点，英、法等国科学家理所当然地反对授予哈伯诺贝尔化学奖。哈伯也因此在精神上受到很大的震动。为了改变大战中给人留下的不光彩印象，他积极致力于加强各国科研机构的联系和各国科学家的友好往来。他的实验室里将近有一半成员来自世界各国。友好的接待，热情的指导，不仅得到了科学界对他的谅解，同时使他的威望日益增高。然而，不久悲剧再次降落在他身上。1933年希特勒篡夺了德国的政权，建立了法西斯统治后，开始推行以消灭"犹太科学"为已任的闹剧，尽管哈伯是著名的科学家，但是因为他是犹太人，和其他犹太人同样遭到残酷的迫害。他被迫离开了自己的祖国，在颠簸流离中，哈伯的心脏病发作，于1934年1月在瑞士逝世。

问题5：“科学是第一生产力”，分析科学发明对人类的发展与人的思想关系。

课1.

查阅哈伯的生平事迹，了解他对化学的贡献。

后作2．合成氨工业、农业生产、世界大战，你能想到科学发明的一些什么？联系现代科技业

谈谈你的看法。

3．从哈伯与波施对合成氨工艺的发明与完善，你对科学发明需要怎样的精神有如何的认识？ 4.小论文：

利用各种学习资源，分析中国合成氨工业的发展方向。

教

学

反

思

本节内容可更好地把批判性思维融于教学。基于化学史教育的合成氨教学不但加深了学生对合成氨知识的理解，而且从追溯合成氨工业的来源、发展、变化，使学生对合成氨知识不单局限于书本上的结论与相应的解决试题的能力，从中还能感悟勤奋、坚毅、合作在科学与学习中的重要作用，以及作为先进科学技术对社会发展的影响与相应的科学伦理价值；还从中还揭示出一项科学成就内蕴的科学思想与科学方法；还从中还能激发学生的爱国主义情感、热爱科学、崇尚科学的情感。如此，也较好地完成了课堂教学中情感与态度的教育目标。