课题2　人工固氮技术──合成氨公开课教案（教学设计）

人工固氮技术——氨合成

【教学内容分析】

本节课内容选自人教版高中化学选修2《化学与技术》第一单元课题二，教科书以体现社会需求为导向，以化学研究基础上的技术发展为总体设计思想，合成氨这种人工固氮技术，不仅为解决人类吃饭问题做出了贡献，而且，它也是近代化学工业发展的基础。学习这部分内容，有利于帮助学生意识到，当反应从实验室进入实际生产，会遇到很多难题。本节课内容是必修1中关于氨的相关知识的延伸，是对化学反应速率和化学平衡理论的综合应用，围绕着合成氨的反应原理以及实现工业化生产的有关问题，让学生学会将理论知识应用到生产生活中，教师要通过设计学生活动，帮助学生形成分析问题的方法，并给学生创设新的问题情境，使学生运用方法，形成独立分析问题、解决问题的能力。

【学生情况分析】

本节课内容为高二年级学生所学，此时期学生的思维已从感性阶段上升到理性阶段，有将理论知识应用到实际生产生活中的欲望。在此之前，学生已经掌握了氨的化学性质，化学反应速率和化学平衡理论的相关知识，但是还没有将所知识应用于实际问题的经验，因此学生缺少理论与实际相结合的方法。本节课重在帮助学生形成方法，而不是只教会学生具体的知识。在学生形成方法的基础上，给学生创设独立演练的机会，学会分析问题、解决问题。

【教学目标】

1.知识与技能：（1）掌握合成氨的化学反应原理

（2）能够利用化学反应速率，化学平衡移动原理分析和讨论合成氨适宜反应条件。

（3）了解“哈伯—波施法”合成氨的化学史

2.过程与方法：通过将理论知识应用于实际生产这一过程，学会具体问题具体分析的方法，能够从多方面因素考虑，提高分析问题、解决问题的能力，同时体会同学之间合作、交流、讨论的重要性。

3.情感态度与价值观：（1）通过了解氨合成的化学史，体会科学精神，培养科学态度和品质。

（2）了解氨合成的重要价值，感受化学学科为人类进步做出的重大贡献。

【教学重点】合成氨的反应原理、合成氨的适宜条件

【教学难点】合成氨的适宜条件

【教学方法】多媒体教学法、讨论法、讲述法

教学内容及过程

教学内容

学生活动

设计意图

【创设情境】

实验：在一干燥的硬质试管中放入适量铁丝绒，加热试管中的铁丝至红热后，用注射器抽取20mL干燥氮气和60mL干燥氢气，将混合气体通入试管，并用湿润的pH试纸放在导管口处，观察实验现象，思考观察实验现象。

我们看到pH试纸变蓝，这是产生氨气的缘故。反应原理，并写出化此实验是工业合成氨的缩影，这样一个我们看学反应方程式。

似简单的实验，可是凝聚了化学家们多少的心血！且让我们走入历史，走近化学家哈伯，去了解那一项给人类带来无穷价值的技术—人工固氮。

环节一：回顾历史

介绍历史背景：

随着农业的发展，对氮肥的需求量在迅速增长。在19世纪以前，农业上所需氮肥的来源主要是有机物的副产品，如粪类、种子饼及绿肥。1809年在智利发现了一个很大的硝酸钠矿产地，并很快被开采。一方面由于这一矿藏有限，另一方面，军事工业生产炸药也需要大量的硝石，因此解决氮肥来源必须另辟途径。 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。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一。

由实验创设情境，吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣。

了解氨合成的历史背

景，知道氮肥的重要

性，体会人工固氮对采用多媒体播放的形式讲述历史，加人类的重要价值。

以音乐渲染，可以吸引学生的注意力，让学生感受更加真切。

【播放动画】

动画一：哈伯简单讲述自己在实验室合成氨的听“哈伯”讲述自己

过程。

合成氨的过程，思考、

其间向同学提出以下问题：

相互交流、讨论提出

1.

勒夏特列原理是什么？

的问题，体会科学的

2.

如何用勒夏特列原理分析

N2 + 3H2

2NH3 的适宜条件？

艰辛历程。

3.

如何提高化学反应速率？

【过渡】

走出实验室，进行工业化生产，仍将要

付出艰辛的劳动。哈伯将他设计的工艺流程倾听

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。这

1

个公司原先计划采用以电弧法生产氧化氮，然后合成氨的生产方法。两相比较，公司立即取消了原先的计划，、组织了以化工专家波施为首的工程技术人员将哈伯的设计付诸实施。

动画二：波施讲述如何将哈伯的氨合成法投入生产的。

其间向同学提出以下问题：

1.

化工生产通常需要考虑那些问题？

2.

水煤气（H2、CO）的生产原理是什么？

3.

原料气中可能有哪些杂质，根据自己所知道的知识分析如何除杂？

【过渡】

翻阅诺贝尔化学奖的记录，就能看到处1916—1917年没有颁奖，因为这期间，欧洲正经历着第一次世界大战，1918年颁了奖，

化学奖授予德国化学家哈伯。这引起了科学家的议论，英法等国的一些科学家公开地表示反对，他们认为，哈伯没有资格获得这一荣誉。这究竟是为什么？

动画三：哈伯讲述氨合成保证了火药的生产，德国贸然发动第一次世界大战，以及为德军研制战争毒气这段历史。

【教师总结】

虽然哈伯有过错，但是他仍是一位伟大的科学

家，他的氨合成技术为整个地球的人解决了粮

食所需的氮肥问题，他对化学的执着与追求鼓

舞着后来的人们。

【讲述】地壳中的氮的含量只有0.04%，大气中氮气的体积分数为78%。游离态的氮大部分存在于大气中，把大气中的氮转化为氮的化合物叫做氮的固定。

【提问】你能列举出所熟悉的固定氮的方法吗？

【讲述】简单介绍我国氨合成工业的发展现状。

我国合成氨工业经过40多年的发展，产量已跃居世界第1位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、褐煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃等气固液多种原料生产合成氨的技术，形成了我国特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小规模并存的合成氨生产格局。

创设历史情境，将学习中的问题融入到历史情境中解决，体会科学家进行科学研究的科学方法，以及探索、体会实际生产与实验锲而不舍的精神。

室是不同的，相互交

流、讨论提出的问题，

提高全面思考问题的能力。

倾听

听讲，能够辩证的对待科学家的功过。

让学生了解这段历史，知道科学的发展给人类带来好处的同时可能也会有负面影响，让学生能够辩证的看待事物，不能因为负面影响而否定科学。

倾听

听讲，思考

举例：1.雷雨放电，生成氮的氧化物。

2.生物固氮

3.氨合成工业

听讲，了解我国氨合成工业的发展现状

回顾旧知识，实现新旧知识的整合。

让学生增加知识面，关注氨工业的发展。

环节二、模拟实践

2

【分组】将学生分为三组：原料组、合成组、环保组，每组一位组长。

分组，组内讨论实际现有人想在某地开化工厂合成氨，请给出一些

生产中各组将面临哪建议，从原料来源、合成条件、环境保护三个

些问题。

方面谈谈。

【原料组】

组长汇报：1.制备合成氨的原料气：从空气中提取氮气和将水蒸气通过热炭层制取氢气。

教师补充：石油、天然气、焦炉气等含有大量

的碳氢化合物，它们在一定条件下可以与氧气

或水蒸气反应产生氢气，这也是制取氢气的来

之一。

组长汇报：2.合成氨需要纯净的原料气，在制取原料气的过程中会混有杂质，某些杂质会使催化剂“中毒”，必须除去。

教师补充：反应原料中含有的微量杂质使催化剂的活性、选择性明显下降或丧失的现象叫催化剂“中毒”。

······

总结：根据市场上原料气和煤的价格选择合适

的原料气。

【合成组】

组长汇报：1.合成氨反应的适宜条件

（1）

压强：20-50MPa （2）

温度：500℃

（3）

催化剂：铁触媒

（4）

浓度：过量的氮气

教师补充：根据勒夏特列原理画出温度和压强对转化率的影响的图。

从我们所画的图中可以看出，高压、低温有利

反应的正向进行，为什么选择20-50MPa,500℃

而不是选择更高的压强和更低的温度？

NH3% N2的转化率

T P

为什么选择过量的氮气？

思考从空气中获取氮气的方法，水蒸气通过热炭层生成氢气的原理。

回想环节一中听“波施”讲述时讨论过的问题，杂质有哪些，怎样除去。写出相应的化学反应方程式。

小组讨论，通过合作提高分析问题、解决问题的能力。

采用让学生汇报的形式将知识讲述出来，学生会主动摄取知识，而不是被动的接受，同时他们会考虑到教师没有考虑的问题，让学生们将自己的想法大胆表述出来，提高学习能力。

听讲，思考为什么选择这样的条件。

画图，深刻体会压强和温度条件的影响。

思考，讨论，回答“压强大，设备的要求高，成本高，温度过低，化学反应速率慢”

回答“氮气比氢气廉价且易得”

让学生结合化学反应的适宜条件和实际生产中的经济问题来讨论氨合成，意识到理论和实际的区别。

3

组长汇报：2.催化剂的改进，如采用钌为基础

活性物质的新型催化剂。

讨论采用循环操作过 3.采用循环操作过程，使未反应的程的优点，

气体再进入合成塔。

·······

总结：综合理论分析和生产实际选择反应条件，既能使产率较高，又要降低成本。

【环保组】

组长汇报：1.汇报由小组内讨论出来的废渣、废液、废气。

2.根据已有知识，如何除“三废”。

3.工厂适宜建在什么地方。

······

总结：生产要符合绿色化学思想。

【教师总结】

展示相关图片总结工业合成氨的流程。

倾听，思考，对环保组提出的建议加以评价，可以说出自己的观点。

发散学生思维，将以前学过的知识整合起来应用到实际中去。

倾听

使知识系统化

环节三、交流感想

1、

从哈伯合成氨这一历史事件中学到了什么？

2、

波施将哈伯法投入生产经历的艰辛说明了什么？

3、

学习完本节课之后你有哪些感想？

······

相互交流、讨论，谈谈学习本节课的感想。

使学生在情感态度价值观方面得到升华。

【作业】联合生产是指在整个生产过程中生产多种产品，请同学们自己思考并且查阅相关资料，总结氨合成工业可以进行哪些联合生产或深加工。

深入理解知识，开阔视野。

【板书设计】

原理 适宜条件

理论

氨合成

实际

原料制备 合成条件 环境保护

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