课题2　人工固氮技术──合成氨优质课教案

课题2 人工固氮技术——合成氨教学设计

【教材】

本节课选自人教版普通高中课程标准实验教科书《化学（选修2）》第一章《走进化学工业》课题2《人工固氮技术——合成氨》。

一、教学设计理念

普通高中化学课程标准（2017年）指出教学中应重视从“知识为本”走向“观念建构”，让学生在真实情境中体验学习过程。本节内容利用科研文献、真实数据、曲线图表、合成氨工业研究中的资料等创设真实而有价值的问题情境，层层深化，让学生在真实情境中体验学习过程，促进核心素养形成和发展。

二、教学内容分析

本节课是围绕着合成氨的反应原理以及实现工业化生产的问题，引导学生应用化学速率和化学平衡理论尝试考虑工业生产合成氨的适宜条件，有助于提高学生在真实情境中的知识应用、分析综合能力；通过温度、压强、投料比等问题的解决兼顾设备、成本、环境等因素，对学生科学态度的形成有深远的意义；合成氨的原料气的制取、原料气的净化、氨的合成与分离等过程有助于学生熟悉工业生产过程中的常用的操作与技术并树立可持续发展观念和绿色化学观念；由合成氨的工业发展中了解最新的工业改进技术，提高环境保护的意识。

三、学情分析

学生已经掌握了化学反应速率和化学平衡理论的相关知识，但是学生还没有将所学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。此外，高二学生逻辑思维能力已趋于成熟，在阅读、分析、筛选信息、合作交流能力等方面都有很大程度的发展，但仍需要进一步加以引导完善。

四、核心素养教学目标与教学重难点

1.核心素养教学目标

2.教学重点与难点

（1）教学重点：合成氨的反应原理，综合速率、平衡、设备、经济等因素对合成氨生产适宜条件的选择。

（2）教学难点：综合速率、平衡、设备、经济等因素对合成氨生产适宜条件的选择。

五、教学方法与思路

1.教法与学法：

①教法：情境教学法、问题教学法

②学法：信息分析学习法、思考交流讨论法

2.教学思路：

六、教学过程

教学环教学设计

教师节

活动

课堂引【图文信息1】植物生长需要大量的含介绍

入

氮化合物，植物缺氮图

【图文信息2】自然界氮的循环

学生设计意图

活动

观察，创设情境，思考

了解人工固氮技术的重要意义

【提问】回顾必修1，自然固氮的涉及反应方程？

环节一：【介绍】自然固氮这一循环无法满足植合成氨物生长需要，我们必须进行人工固氮，的反应先由实验室进行简单模拟。

原理

【播放实验视频】实验室模拟人工固氮技术

【提问】1.你能写出合成氨的反应方程式吗？

2.由实验室走向工业化生产要考虑哪些问题？

环节二：【展示图片】

探讨合成氨的适宜条件

提问

思考、回顾自然固回答

氮，理解氮的固定概念

讲解

聆听

书写反应原理方程式，了解由实验引导

看视室走向工业生产还需要频

提问

思考、考虑原理、效率、书写、设备、环保、回答

产量、成本等问题

引导、思考、学生根据已提问

回答

知知识解决问题的能力

【过渡】工业合成氨中的效率快、产量高指的就是我们已学的反应速率和化学平衡知识。

【提问】如何使NH3生产速率快、产率高？受哪些外界因素的影响？

【数据资料】

使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍

【展示结论】

【质疑】压强、催化剂对速率和平衡的影响是一致的，所以高压、催化剂是必须的，那么压强是越高越好吗？温度越高速率越快，但温度越高氨的产率越低，如此矛盾情况下如何选择温度？

【交流与讨论】学生共同讨论分析下表，通

引导

质疑

交流讨论

一致性与矛盾性的问题处理培养

过数据分析理解合成氨中温度和压强的变化与氨含量的变化情况。

实际生产中压强选多少？

【文献资料】

我国60年代前，合成氨的压强采用32MPa，目前许多新建大型长采用15~20MPa，有的甚至用7~8MPa 【曲线图信息】温度、投料比实际生产中如何选择？

【实际问题】加压对设备和安全要求高，同时要增加成本和能耗，综合以上两点，实际生产中压强一般选择在10MPa～30MPa之间；温度应结合催化剂的最高活性温度，因而温度选择500℃左右；根据曲线N2、H2投料比为1：3。

【讨论与思考】如图，即使在500℃和30MPa

提供数据、提问

根据数据选择

学生通过观察氨含量随温度、压强数据的变化而变化的图表，利用化学反应速率及平衡思想分析合成氨工业所需适宜条件，培养学生利用数学思维分析化学、工程问题。同时引导学生从生产实际，考虑产率、设备、投资、成本等一系列问题，体会到光靠化学基本原理解决实际工业生产问题远远不够，还应具备与技术、社会需求等相关知识，明确理论联系实际的重要性。

时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.0%，转化率仍不够大，还可采取什么办法？

【教师与学生活动】保持一定的N2、H2浓度，减少氨气的浓度，可以提高合成氨的效率和产量。实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化而分离出去；及时补充氮气和氢气，使其保持一定的浓度。结合实际生产循环气N2、H2比为1：2.8。

【投影】

提问

给出实际数据

思考，回答

归纳总结

感受可逆反应提高产率及原料利用率的技术，增强节约能源的意识。

环节三：合成氨的基本生产过程

提问

提供文献资料

【学生活动】根据资料信息完成学案的以下

【过渡】合成氨的生产适宜条件问题解决后，请同学结合教材内容，概括合成氨需要经历哪些生产过程？

【学生活动】合成氨的基本生产过程主要有三个步骤：造气、净化、合成与分离

【提问】要实现合成氨的工业化生产，首先要获得原料气，如何制取原料气氮气、氢气？【图文信息】世界和我国能源消费结构

阅读、回答

交流讨论

提供方案

了解合成氨的基本生产过程

获取图表信息能力

方案设计

【展示】

【文献资料】

【提问】根据上表氢气制备的最优方案是采用什么为原料？

【展示】原料气的净化过程

【提问】合成塔出来的混合气体中约含15%（体积分数）的氨，分离出氨后为什么要进行循环操作？

【展示】合成氨的流程和主要设备

展示氮气、氢气的主要制取过程

提供文献数据

提问

学生代表上台分享自己的方案

对照自己的方案优化改进

根据文献数据分析

思考、

回答

培养阅读能力，鼓励学生用所学知识并大胆设想，但要有依据。

拓展学生的思维，通过获取氢气方案的筛选了解基本技术手段，同时学生也学会从能源、能耗、成本等方面综合考虑，增强可持续发展的社会责任感。

气体的净化、氮气氢气的循环利用过程让学生不仅关注经济效益，还应关注环境的保护，资源的合理使用，将可持续发展理念渗透到每一步。

讲解

思考、提高学生科聆听

学素养、技术素养。

环节四：合成氨工业的发展

思考：与生物固氮相比，目前工业合成氨存

在的主要问题是什么？发展方向是什么？

提问

【师生活动】人工固氮(化学固氮)：高能耗、高污染、高成本、低效率

生物固氮(根瘤菌)：

绿色、环保、高效、零成本

【总结】发展方向：

①原料及原料气的净化、“三废”处理技

思考

拓展学生的视野培养创新意识，增强可持续发展的社会责任感。

术改进

②新型高效催化剂合成

③化学模拟生物固氮

课堂总结

【展示】

展示

回顾本结课所学知识

培养归纳总结能力

课堂练习

已知2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)；△H＜提供习题

0的实验数据如下表：

不同压强下SO2的转化率（%）

温度

1×105Pa 450℃

550℃

97.5 85.6 5×1051×106Pa 99.2 94.9 5×106Pa 99.6 97.7 1×107Pa 99.7 98.3 Pa 98.9 92.9

思考、学以致用，答题

培养实际问题的解决能力。促进学科素养的发展。

（1）应选的温度是 。

（2）应采用的压强是 ，理由是 。

（3）在合成的SO3过程中，不需要分离出SO3的原因是 。

课后发查阅资料，寻找吸收塔中的技术问题。

提问

展性作①主要由接触室和热交换器两部分组成，氮气和氢气在合成塔内如何反应？

业

②热交换器取什么样的作用？气体的流向设计有什么好处？

七、板书设计

课后研究

查阅资料，提升自主学习的能力

课题2人工固氮技术——合成氨

一、合成氨的反应原理

适宜条件：

高压:10MPa~30MPa；

催化剂(加快反应速率)：铁

温度：400～500℃；

浓度：1：3 二、合成氨的基本生产过程

造气→净化→合成→分离氨

三、合成氨发展方向

八、教学反思

本节课是基于核心素养教学目标进行设计。教学中应重视从“知识为本”走向“观念建构”，让学生在真实情境中体验学习过程。在课前通过网络资源及课本资料做了大量的调查和研究，对氨原理、合成工艺、历史发展及未来展望等大量文献资料收集并设计学案；课上利用科研文献、真实数据、曲线图表、合成氨工业研究中的资料等创设真实而有价值的问题情境，通过温度、压强、投料比等问题的解决兼顾设备、成本、环境等因素，对学生科学态度的形成有深远的意义；合成氨的原料气的制取、原料气的净化、氨的合成与分离等过程有助于学生熟悉工业生产过程中的常用的操作与技术并树立可持续发展观念和绿色化学观念；由合成氨的工业发展中了解最新的工业改进技术，提高环境保护的意识。教学层层深化，让学生在真实情境中体验学习过程，充分调动了学生，学生学得主动轻松，在45分钟内高效的完成了本节课的教学要求，促进核心素养形成和发展。

但是有些地方处理还是不太好，我在上这一节课的时候，各个讨论环节时间控制上没有很好把握，导致课堂最后面合成氨主要设备合成塔的介绍和发展方向略显匆忙，学生有些意犹未尽，效果没有想象中好，但也激发了学生课后讨论的积极性。

课堂结束后，我邀请的几位学生到办公室进行座谈，解决了课堂上因时间问题未能解答的问题。学生反应课堂收获很多，体会到光靠化学基本原理解决实际工业生产问题远远不够，还应具备与技术、社会需求等相关知识，明确理论联系实际的重要性。