生产中反应条件的控制教学设计及教案分析

化工生产中反应条件的控制

教案设计

授课教师：翁丹莉 授课日期：2019.4.30 星期二

第二节 授课班级：高三24班

1.教学目标

1.1 知识与技能：

①以工业合成氨为例，了解化工生产中所要考虑的基本问题，合理控制反应条件。

②分析生产原料与产品之间的关系，确定反应原理和主要生产步骤，合理选择试剂用量。

1.2 过程与方法：

①通过不同反应条件的选择，培养学生分析陌生信息、解决实际问题的能力。

②通过问题探讨，培养学生勇于探究的化学学科素养。

1.3 情感态度与价值观：

对化工生产中试剂的选择，从源头上减少工业“三废”的产生，让学生体会“绿色化学”的重要性，提高学生的环境保护意识。

2. 教学重难点：温度的控制、pH的控制

3. 学情分析：

本节为高三复习课，主要是以化工流程题为背景，思考化工生产中反应条件的控制问题。高考考察的化工题常以现代工业生产为依托，并与生产成本、产品提纯、环境保护等相融合，考查物质的制备、检验、分离提纯等基本实验原理在化工生产中的实际应用，很好的考察学生分析问题、解决问题的能力，培养学生科学精神的学科素养。学生解决这类问题的困境是：具备一定的基础知识和能力，但对知识的情景化应用能力有所缺失，分析题目的思维方法不够优化，解题耗时较长，解题方法不熟练，答题不规范。本节选取典型例题进行设问和讲解，优化解题思路，强化答题规范性，帮助学生更好的处理此类问题。

4. 教学环节

【引入】走近化工生产：氮的固定N2 (g)+3H2 (g)2NH3(g)

△H<0 从平衡视角考虑，工业固氮应该选择常温条件，但实际工业生产却选500℃左右的高温，解释其原因高温有利于加快反应速率；且500℃时催化剂活性较高。

设计意图：借助化工生产的实际问题，让学生认识到平衡转化率并不是化工生产中所要考虑的唯一因素，我们还应兼顾化学反应速率（效率问题），和考虑不同条件的成本、实际可能性问题，提出化工生产中反应条件的控制目的是为了做到“多快好省”。

一、

温度的控制

例1：通过下列工艺流程可实现元素Ti、Al、Si的回收利用，并

得到纳米二氧化钛和分子筛。熔融温度和钛的提取率关系如右图，

适宜温度为500℃，理由是400℃时，钛的提取率较低：600℃时，

钛的提取率提升不明显/幅度小，且能耗大，成本高，对设备要求高。

设计意图：引导学生分析陌生图表信息，合理选择适宜温度，强化学生答题规范性。

例2：(2015国1)采用硝酸铵氧化分解技术生产CuCl 的工艺过程如下：

1

步骤①中溶解温度应控制在60﹣70℃，原因是低于60℃，温度过低，反应速率较慢；高于70℃，温度过高，硝酸铵易分解。

设计意图：借助高考例题，让学生认识到化工生产除了要考虑生产效率外，还需兼顾物质本身性质等问题。小结控温问题的答题规范和思考方向，注意“工业三防”和题干信息（溶解度、主副反应），努力做到增产减损。

二、

pH的控制

例3：硫酸锌可作为食品锌强化剂的原料。工业上常用菱锌矿生产硫酸锌，菱锌矿的主要成分是ZnCO3，并含少量的Fe2O3

、FeCO3、MgO等，工艺流程部分流程如下图：

【查阅资料】相关离子生成氢氧化物的pH和相关物质的溶解性如下表：

(1)调pH步骤①中，溶液pH的调节范围是3.2～6.4，可通过加入ZnO、ZnCO3、Zn(OH)2来调节。

(2)已知调pH②需控制pH在8.0～10.4，原因是：为了使Zn2+沉淀完全，且保证Mg2+不形成沉淀。

设计意图：强化化工题答题思路，提醒学生审题时，注意看清原料和产品，分析谁是目标产物，谁是杂质，善用题目信息来答题。

例4：工业上用含三价钒（V2O3）为主的某石煤为原料

（含有Al2O3、CaO等杂质），钙化法焙烧制备V2O5，

其流程如图：

资料：+5价钒在溶液中的主要存在形式与溶液pH的关系

pH 主要离子

4~6 VO2+

6~8 VO3−

8~10 V2O74−

10~12 VO43−

(1)酸浸：酸度对钒和铝的溶解量的影响如右图所示：酸浸时溶液酸度控制在大约3.2%，不选更高酸度的

原因是酸度大于3.2％时，钒的溶解量提升不明显/幅度小，而铝的溶解量反而增加，不利于两者分离。

(2)转沉：将浸出液中的钒转化为NH4VO3固体，其流程如下：

①

浸出液中加入石灰乳的作用是提供Ca2+，形成Ca3(VO4)2沉淀（富集钒元素）；调节溶液的pH，，使钒转化为VO43-。

②

向(NH4)3VO4溶液中加入NH4Cl溶液，控制溶液的pH＝7.5。当pH＞8时，NH4VO3的产量明显降低，原因是pH＞8时，钒的主要存在形式不是VO3−。

设计意图：无机化工流程题陌生度较大，综合能力要求高，要求学生既要熟知化工生产原理，又要题目所给的信息进行提取、筛选。这道题信息量较大，教师引导学生回答试剂作用时，要从阴阳离子两个角度进行思考，以防回答有所遗漏；同时引导学生思考控制pH值常涉及的考点，让学生在遇到此类问题时，有更好的思考方向，加快做题速度。

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三、

试剂用量的控制

例5：钴酸锂废极片(主要成分为钴酸锂LiCoO2)中钴回收的工艺流程如下图所示

已知: CoC2O4•2H2O微溶于水，溶解度随温度升高而增大，且能与过量的C2O42-生成

Co(C2O4)n2(n-1)-而溶解。

(1)“还原酸浸”过程中，不用浓盐酸代替

H2SO4

和

H2O2

的混合溶液，除了因HCl易挥发，利用率低外，更为主要的是Cl-可被LiCoO2氧化为Cl2，污染环境。

(2)“沉钴”过程中，(NH4)2C2O4

的加入量(图a)、沉淀反应的温度(图b)与钴的沉淀率关系如图所示:

①用化学用语和适当的文字说明:随

n(C 2O4

2-) ：n(Co2+)比值的增加, 钴的沉淀率先逐渐增大后又逐渐减小的原因：n(C2O42-) ：n(Co2+)比值增加，即n(Co2+)不变，增大n(C 2O4

2-) 。前半段，c(C2O42-)增大，速率加快，利于CoC2O4沉淀反应正移，便于析晶；但c(C2O42-)过大，会发生副反应使CoC2O4沉淀溶解。

②沉淀反应时间为10min，温度在50℃以上时，随温度升高而钴的沉淀率下降的可能原因是温度升高，CoC2O4•2H2O溶解度增大。

设计意图：借助此题，引导学生在遇到投料比选择的问题时，如何规范回答，通过试剂的选择，让学生体会绿色化学，环境友好也是化工生产所要考虑的问题。对于化工生产中反应条件的控制，需要多种因素综合分析，条件控制适宜，过度可能会得不偿失。

【课堂小结】回顾课前所提及的化工生产中反应条件的控制目的是为了达到“多快好省”，结合本节内容进行小结。

设计意图：让学生对本节课有更系统的认识，强化所学知识。

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【巩固练习】：

1.(18福建一模)聚合硫酸铁(PFS)是一种高效的无机高分子絮凝剂。某工厂利用经浮选的硫铁矿烧渣（有效成分为Fe2O3和Fe3O4）制备PFS，其工艺流程如下图所示。

(1)工业上，“还原焙烧”的温度一般控制在

800℃左右，温度不宜过高的理由是温度高，能耗大，浪费能量，且FeO易被还原成Fe。

(2)若“酸浸”时间过长，浸出液中

Fe2+含量反而降低，主要原因是Fe2+易被空气中的O2氧化成Fe3+。

(3)“催化氧化”过程用NaNO2作催化剂（NO起实质上的催化作用）时，温度与Fe2+转化率的关系如右图所示（反应时间相同），Fe2+转化率随温度的升高先上升后下降的原因是前半段，温度升高，反应速率加快；但温度过高，NO气体逸出，转化率下降。

2.（2018厦门二模）次氯酸盐氧化法制备

K2FeO4

工艺流程如下：

已知发生副反应：4FeO4+10H2O4Fe(OH)3+3O2+8OH

(1)“合成”步骤中生成K2FeO4的离子方程式为2Fe3++3ClO—+10OH—==2FeO42—+3Cl—+5H2O。

(2)根据下表，铁盐添加量最佳值为20.0g，K2FeO4产量随铁盐的加入先增大后减小的原因可能是增大Fe3+的浓度，反应速率加快；但Fe3+的浓度过大，c(OH—)减小，副反应正移，K2FeO4产量降低。

2﹣﹣

(3)“纯化”步骤中将Na2FeO4转化为K2FeO4的化学方程式为Na2FeO4 + 2KOH=2NaOH+K2FeO4↓。

3. 直接排放含

SO2

的烟气会危害环境。利用工业废碱渣（主要成分Na2CO3）可吸收烟气中的

SO2

并制备无水

Na2SO3，其流程如图。

已知：Na2SO3·7H2O 和

Na2SO3

的溶解度曲线如图。

(1)吸收塔中的温度不宜过高，可能的原因是防止SO2的溶解度下降/逸出，防止NaHSO3受热分解，防止NaHSO3氧化速率加快。

(2)制备无水Na2SO3，将中和塔中得到的Na2SO3溶液隔绝空气，加热浓缩至有大量固体析出时，趁热(高于34℃)过滤（填操作），过滤出的固体用无水乙醇洗涤、干燥，得无水Na2SO3

固体。

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