第二单元 化学反应的方向和限度教学设计范文

化学反应条件的优化

【学习目标】应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异，认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。知道催化剂可以改变反应历程，对调控反应速率具有重要意义。

【情景引入】二十世纪初对人类发展产生重大影响的化学反应就是合成氨。因为以N2、H2为原料生产NH3曾是一个难题，从第一次实验室研制到工业化投产，经历了约150年。回顾这段历史可以发现，科学家研究合成氨反应大致经历了3个阶段：首先通过理论计算和设计实验论证反应能不能发生，著名化学家能斯特就曾认为这个反应没有太大前途。但哈伯不迷信权威，终于在1909年成功设计了第一个合成氨反应器，得到了液氨。不过实验不久装置就因耐不住高压损坏了，而且他使用的金属锇催化剂储量极少且不易加工。在此基础上波施等人为实现大规模工业生产，寻找更廉价易得的催化剂，改进了反应器增加了设备耐用性，这样才建成了第一座合成氨工厂。这标志着工业上实现高压催化反应的第一个里程碑，哈伯和波施分别获得1918和1931年度的诺贝尔化学奖。20世纪90年代，全球合成氨的年产量已达8.7×107t，为缓解人类面临的粮食危机做出了积极的贡献。

【师】今天让我们像这些伟大的科学家一样研究合成氨反应，从中学习研究的基本方法。

【板书】N2+3H22NH3

【师】化学反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起来十分简单，为什么实现工业化生产会这么难？这个反应正向到底能不能自发进行？

【生】ΔG=ΔH-TΔS=-33.3 kJ·mol-1＜0，298K下合成氨反应能自发进行。

【师】老师还查到这个反应的平衡常数K为4.1×106，正向程度似乎挺大的，为什么实际反应却很难？

【生】活化能大，反应速率慢。

【师】影响化学反应速率的外界条件有哪些？

【生】温度、压强、催化剂、浓度等。

【板书】压强

温度

催化剂

浓度

【讨论表格】怎样增大氨的合成速率？

【生】增大压强、升高温度、使用催化剂、增大N2、H2浓度。

【讨论表格】什么条件有利于平衡正向移动？

【生】增大压强、降低温度、催化剂对平衡没有影响、增大反应物浓度、减小生成物浓度。

【师】达到高反应速率与高转化率所需的条件有些一致有些又相互矛盾，到底怎么选？

【师】压强的影响是一致的，否越大越好？

【生】一方面高压能耗大，另一方面还要考虑设备耐压性，所以选择适当高压。

【板书】1×107~1×108Pa 【师】温度的影响相反，我们放一放，先来看催化剂。要不要用？

【资料1】使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。

【资料2】波施找到是以铁为主的多成分催化剂，又叫铁触媒，效果不错一直被沿用至今。研究表明铁触媒在700K左右的温度下活性最大，而且有些杂质气体易使它“中毒”。

【师】综合考虑平衡、速率、催化剂，温度选多少？

【板书】铁触媒

700K左右

【师】原料H2和N2的比例怎么选？还是看实验数据。这张图怎么看，能得到什么结论？

【生】观察图中平衡氨含量与氢氮比关系可知，不论压强如何，H2和N2的体积比为3:1时，混合物中氨的百分含量最高，转化率最高。

【师】这是从平衡角度H2和N2氨系数比通入转化率较高，另外结合对速率影响的实验结果最终选择n(H2):n(N2)≈3:1。

【板书】n(H2):n(N2)≈3:1 【师】选好了适宜的生产条件，效果怎么样呢？原料实际转化率到底如何？是否让人满意呢？看书上P52图2-19，以400℃

200×105Pa为例，只有38.7%，剩余61.3%的是？怎么进一步提高其转化率？

【生】从混合气体分离出产物NH3，将剩余没反应的N2与H2循环到合成塔里重新反应，（恭喜你，跟哈伯一样聪明！）

【师】从这张生产流程图中找出哈伯申请的循环法专利吗？

【生】混合气体通过水冷凝器使氨液化，然后在气体分离器里把液态氨分离出来导入液氨贮灌。由气体分离器出来的气体，经过循环压缩机，再送到合成塔中进行反应。

【板书】造气→净化→压缩→合成（热交换）→分离（循环）

【师】除了这个关键环节，整个流程还包括一开始的造气，净化洗气防止催化剂“中毒”，用压缩机压缩至高压，再送入合成塔。这里还有个“换热器”是干什么用的？什么原理？课本P56图2-22把它放大了更便于观察。

【生】利用合成氨反应放出的热，用管内向上的热混合气预热管外向下的原料气，同时冷却混合气体使氨易于被加压液化分离。

【小结】总结一下，将一个可逆反应转化为工业生产，一般先从方向、平衡、速率3方面选择适宜的生产条件，在高速率和高转化率上一般有限考虑什么？（速率）一般以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件，其中催化剂对调控反应速率具有特别重要的意义。最终设计生产流程时还要综合考虑哪些因素？（原料来源、转化率、能耗、污染等）

【师】虽然现在合成氨已经是比较成熟的工业了，但人类每年为此花费巨大，需要消耗大量能源，人们期待着在常温常压下实现固氮的目标，所以现在科学家不断进行新催化剂的研究，但要最终推广还有很长的路要走。也有科学家模拟生物固氮希望创造新的工艺过程。

【师】下面我们运用这种方法来研究另一个经典反应。在硫酸工业生产中，也有个可逆反应SO2氧化制SO3，首先分析反应的ΔH和ΔS特点？

【生】放热、熵减。

【板书】2SO2+O22SO3

ΔH＜0

ΔS＜0

【师】跟合成氨反应很相似，那这些条件的选择也完全一样吗？看两段资料。

【资料3】所用催化剂的主要成分为V2O5，也会“中毒”，在450℃左右的温度下活性最大。怎么选催化剂和温度？

【生】V2O5

450℃

【资料4】观察表格数据，分析与合成氨反应的“似而不同”。怎么选压强？

【生】看压强数据，加压对SO2的转化率增加不多，没必要，所以选择常压反应。

【师】原料气SO2和O2是不是也像合成氨里选择系数比2:1呢？

【生】不同于合成氨反应，空气中的O2会影响反应，勒沙特列就曾因使用的原料气中混入O2而爆炸，从而放弃了研究。而对SO2的反应，空气中的N2对反应没有影响，可以直

接通入过量廉价的空气，既可加快反应速率，同时使平衡右移，提高SO2的转化率。实验表明通入的空气的混合气体中，O2的体积分数约是SO2的1.5倍。

【板书】n(O2)：n(SO2) ≈1.5：1 【师】根据这些反应条件条件，请预测硫酸工业生产流程与合成氨流程相比有哪些不同？

【生】无需压缩反应混合气体。经过接触室出来的混合气体可以直接进入吸收塔得到硫酸，而剩余气体中少量的SO2可以通过尾气处理进行回收利用。但同样都可以利用合成塔的热交换系统提高反应效率。

【板书】造气→净化→合成（热交换）→吸收

【小结】今天我们向科学家学习了将可逆反应转化为实际工业生产的一般过程和方法，从中可以体会研究的复杂程度，以及其中需要的严谨的科学态度。