课题2　人工固氮技术──合成氨优质课教案

人工固氮技术——合成氨

【老师】学过生物，同学们都知道氮是植物体内蛋白质、核酸和叶绿素的组成元素，蛋白质是细胞原生质的重要成分，核酸是合成蛋白质的必要成分，在植物生长发育过程中，细胞分裂和新细胞的形成必须要有蛋白质，而光合作用则离不开叶绿素，因此在缺氮的的情况下，植物的生长发育会迟缓或停滞，因此，每到农作物生长的季节农民就会给农作物施肥，促进农作物的生长，以提高其产量。

【老师】同学们知道常给农作物施的化肥有哪些吗？

【学生】有尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳铵等。

【老师】好，回答的很好，我们生活中最常见的化肥有尿素和碳铵，看来同学们对种植农作物还是有一定的了解的。可能同学们不知道，给农作物提供营养的主要是肥料中的氮元素。而在地壳中氮的含量只有0.04％，而这是远远不能满足植物生长需要的，而在大气中氮的含量有78％，只有大豆、蚕豆等根部有根瘤菌的豆科植物才能把空气中的氮转化为氮的化合物吸收，但是大多数植物不能直接吸收氮气，只能吸收氮的化合物，所以，必须将氮气转化为氮的化合物才能被植物吸收，因此将游离的氮转化为化合态氮的方法叫氮的固定，

【板书】人工固氮技术——合成氨

【板书】氮的固定:将游离的氮转化为化合态氮的方法

【老师】请大家看一下这张图，这是自然界中氮的循环图，要怎样才能有效的利用自然界中的氮来生产氮的化合物，请同学们将书翻到第九页，结合思考与交流——事实2部分，考虑一下（停顿20s的时间），现在同学们随老师来一起看一下自然界中的氮是怎样循环的：从图中我们可以看出自然界中氮的循环主要由大气中的氮提供的，大气中的氮通过雷电作用、人工固氮、根瘤菌的固氮作用等不同的路径被固定，形成各种铵盐，部分铵盐被植物吸收转化成蛋白质，进一步参与循环，而部分铵盐会被细菌分解，分解之后的铵盐中的氮元素又回到大气当中。被植物吸收的铵盐部分会被动物进一步吸收，部分在植物死后被细菌分解，动物吸收的铵盐也在动物死后也被细菌分解，最后氮元素又回到了大气当中。

【老师】看完这张图之后，再结合事实2部分，同学们可以看出哪种方法可以合成大量的化合态的氮呢？

【学生】人工固氮

【老师】对，人工固氮能大量的合成氮的化合物，这就是我们今天所要学习的新知识：人工固氮技术——合成氨

【老师】氨通常是使用N2和H2在高温高压催化剂的条件下合成的，同学们结合课本和以前所学的知识思考一下

【板书】一、合成氨的反应原理

【老师】这个反应方程式在以前我们是学习过的，再结合你们的预习，哪位同学能上来写一下呢？

【板书】1、方程式：N2（g）＋ 3H2 (g) 2NH3 （g）（ΔH<0）

（ΔH=—92.4kJ/mol）

催化剂

【老师】XX同学预习的不错，旧知识回顾的更不错，说明老师的努力是有效果的，老师需要强调一下，这个反应是一个放热反应。

【老师】如果把H2和N2随便混合在一起，他们能发生反应吗？

【学生】不能

【老师】对，刚开始我就告诉大家这个反应需要在一定条件下才能发生，且此反应是一个可逆反应，请同学们根据我们所学过的化学反应速率和勒夏特列原理分析讨论合成氨的适宜的反应条件，那什么是勒夏特列原理？同学们还记得吗？我叫一位同学回答一下。

【学生】如果改变影响平衡的条件之一，平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。

【老师】回答的非常正确，看来XX同学没有把知识还给老师啊，勒夏特列原理就是改变影响平衡的条件之一，比如说改变温度、压强以及参加反应的化学物质的浓度，都会使平衡向着减弱这种改变的方向移动。好，现在开始讨论，前后左右都可以进行讨论。（给时30s）：

【板书】⒉合成氨的适宜条件

【老师】现在我们来叫两位同学来说一下你们的讨论结果，我们一边派一个代表啊。这边我们叫XX同学。

【学生】1.可以增大反应物的浓度，还可以升高温度

【老师】很好请坐，下面我们叫另一边的一个同学。XX同学

【学生】 2.增大压强，加入催化剂

【老师】好，请坐，这两位同学回答的都很好，我们来一起看一下，增大反应物的浓度，我们可以增大N2或H2的浓度，但是H2的制取成本比较高，我们一般是增大氮气的浓度，也就是使用过量的N2，这样不但可以加快了反应速率，是不是也使反应的平衡向合成氨的方向移动；

【学生】是

【老师】很好，减小氨的浓度也可以使平衡向着合成氨的方向移动；在学习化学反应速率的

影响因素中我们知道，升高温度可以加快化学反应速率，那么我们是不是可以用升高温度来加快合成氨的速度呢？

【学生】是

【老师】好，研究者在经过多次试验之后，确定了合成氨的适宜温度是在400~500℃之间

【老师】那么有谁能告诉老师，合成氨的反应温度能不能再高，比如说700℃或800℃，甚至上千度？为什么？

【学生】不能，因为合成氨是一个放热反应，若温度再高会使化学反应平衡左移动，减少氨的合成。

【老师】回答正确，请坐（点头示意），看来XX同学对这化学平衡这部分只是掌握的不错。这个反应是一个放热反应，温度不能升的太高，温度太高会使反应向着N2和H2的方向移动，这就不是我们所要达到的目的了，这样也会减小氨的合成，由反应式还可以看出合成氨当中N2、H2和NH3都是气体，那么压强对他们的反应速率和平衡是不是也有一定的影响呢？

【学生】是

【老师】那么增大压强是不是使平衡可以向着合成氨的方向移动呢？

【学生】是

【老师】是不是也可以加快合成氨的反应速率呢？

【学生】是

【老师】对，合成氨常用的压强适宜范围为10~30MPa；我们学过还有一种简便的加快反应速率的方法，就是加入催化剂，催化剂可以大大的加快化学反应速率，但是他能不能改变化学平衡呢？

【学生】不能

【老师】对，合成氨中通常用铁作催化剂。

【老师】由此我们得出了合成氨反应的适宜条件，来，同学们跟老师一起总结一下

【老师】第一是增大反应物的浓度，我们一般是加入过量的N2；第二是升高温度，使它的反应温度在400~500℃之间；第三是升高压强，使压强在10~30MPa之间；第四是使用催化剂。

【板书】

⑴浓度：N2过量

⑵温度：400~500℃

⑶高压：10~30MPa ⑷催化剂：Fe 【老师】合成氨只有在适宜的条件下才能达到最大的产量，同学们可以在学之余看一下P10

合成氨的科学史话——哈伯和哈伯法合成氨，了解一下，扩展一下自己的知识面。

【老师】要合成氨我们不仅要掌握原理，而且我们还要知道过程，这样才能完整的完成一个合成工业，接下来我们一起来探讨一下合成氨的基本过程，同学们可以根据自己已有的知识并结合课本考虑一下有哪几个步骤。

【板书】二、合成氨的基本过程

【老师】谁来说一下呢？

【学生】有造气、净化、合成和分离

【老师】很好，预习的不错，请坐（面带微笑），合成氨的基本过程有造气、净化、合成和分离三个基本过程，根据前面刚学的合成氨的原理我们知道合成氨需要的原料是N2和H2，所以我们先要制备合成氨的原料气N2和H2，同学们思考一下，N2取自哪里？H2有来自哪里？考虑一下（停顿7s）

【板书】1.制备原料气：

N2主要来源于 空 气 （因为空气中氮气的含量最高） H2主要来源于水和碳氢化合物

【老师】N2主要来源于空气，我们就不做深究，我们主要讨论如何制取氢气，那么我们该如何用水来制取H2呢，哪位同学能运用以前的知识上来写一下用水制取H2的方程式呢？

【板书】C+H2O高温CO+H2 【老师】写的很好，下去请坐，C和H2O在高温条件下生成CO和H2，制备H2除了用水，在一定条件下我们还可以利用石油、天然气、焦炉气、炼厂气等大量含有C、H化合物的物质，他们的方程式有; 【板书】CH4+H2O高温3H2+CO ；CH4+2H2O高温4H2+CO2 【老师】由此可以看出，制取H2主要是石油、天然气、焦炉气、炼厂气等当中的有效成分是甲烷和水蒸汽作用，合成氨时需要的是纯净的N2和H2，用这些原料制取的H2当中还含有大量的杂质，其中一些杂志会使催化剂中毒，是合成氨的反应缓慢，甚至抑制合成氨的反应，那么什么是催化剂中毒呢？老师告诉大家，催化剂中毒就是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。中毒现象的本质是微量杂质和催化剂活性中心的某种化学作用，形成没有活性的物种。这个大家了解一下，因此要必须出去这些杂质，才能保证合成氨的顺利进行，我们把除去杂质这一过程成为原料气的净化。

【板书】2.原料气的净化

【老师】一般制取的H2中含有的杂质有H2S、CO、O2、CO2，工业中通常是用稀氨水来吸收H2S

的，它的反应方程式为

【板书】NH3ˑH2O+H2S=NH4HS+H2O 【老师】通常制备H2时产生的CO会在催化剂（Fe2O3和CuO）的作用下，CO与H2O蒸汽进一步反应生成CO2和H2，而CO2一般用K2CO3溶液吸收。

【板书】CO+H2O CuO,高温 CO2+H2；K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3 【老师】这就是原料气的净化，现在我们来一起看一下这两张挂图，一个是合成氨生产简易流程图，一个是合成塔内构造示意图，原料气净化完成之后，还必须经过精制处理，比如说用醋酸、Cu和氨配制成的溶液来吸收未反应的CO、CO2、O2、H2S等少量有害气体，净化后的原料气需经过压缩机压缩至高压，进入氨合成塔，使N2和H2在高温、高压和催化剂的条件下合成氨，一般从合成塔出来的混合气体中合成氨的含量大约在15﹪，为了使气态氨从没有反应的N2和H2中分离出来，再使混合气体通过冷凝器，使氨液化分离出来液态氨，导入液氨储罐，再将没有反应的N2和H2送回合成塔中进行反应，使N2和H2循环利用，这就是氨的合成与分离

【板书】3.氨的合成与分离

【老师】以上就是整个合成氨的过程，那么合成氨的工业发展呢？

【板书】三、合成氨的工业发展

【老师】氮气的来源较为丰富，但是制氢气的成本还太高，若能廉价制取氢气，合成氨的成本会大大降低，同时，氢气又是绿色能源，又可以缓解能源危机，所以制取氢气成本高的难题需要突破，催化剂方面，各国大多仍采用铁触媒为合成氨的催化剂，如何找到廉价易得的催化剂又是科学家探讨的问题，而环境保护是目前各国普遍关注的问题，所以合成氨工业中的原料、催化剂的改进、环境保护着三个领域的研究很重要，因此第三个内容合成氨的工业发展我们放在下一节课来讲，下面我们来一起回顾今天所学的知识，我们今天主要讲了合成氨的反应原理，主要利用N2和H2在高温高压加催化剂的条件下直接合成氨的，接着我们利用化学反应速率和勒夏特列原理讨论出了合成氨时一般N2的浓度过量、温度在400~500℃、压强在10~30MPa，再加上催化剂等适宜的条件下，使合成氨的效率达到最高，接着我们讲了合成氨的基本过程，有造气、净化、合成和分离三个过程，合成氨的原理和适宜条件使我们今天这节课的重点，同学们一定要掌握。

【老师】大家还有问题吗？

【学生】没有

【老师】现在我们来看一下今天的作业，上交的作业是P20的4题，同学们再记一下查一下

氮的固定有哪些方法，下节课我们检查，另外再上网查一下合成氨工业的发展了解一下，下节课我们进行学习。今天的课就上到这里，下课！

教学反思

本节课在内容选择上有点欠缺，应该将合成氨的工业发展在同一课时当中，因为时间还是很充足的，或者在授完新课，可以给学生适当的练习，这样就可以使整节课的内容紧凑，就不会提早下课。

在整节课的授课当中，由于我的体察不够，高估了学生的能力，与学生的交流不够，所以在整节课当中速度过快，我把学生想的和我一样。因此在教学之前，应该先弄清楚学生的情况，在对学生进行授课，这样就可以和学生充分的互动，调动学生的兴趣。