课题2　人工固氮技术──合成氨名师教学设计1

选修二

第一单元

走进化学工业

课题二 人工固氮技术

工业合成氨条件的选择

宜昌外国语高中

詹建涛

一、指导思想：

在新一轮教学改革中，开阔学生视野，满足不同学生的需求，为国家输送高层次人才是值得中学教学中追寻的目标。据此，淡化单纯知识性知识的学习，引导学生在问题中思考，提升学生解决实际问题的能力，进一步用好教材的引导作用。本节课利用对教材内容进行一定程度的重新整合，旨在用发展的眼观对待工业技术，倡导学生能够从问题和任务出发，组织和引导学生通过自主学习、交流研讨、合作探究等活动，以获取知识和技能、发展能力、培养情感体验。从而激发学生学习兴趣，提高课堂效率。

二、教学目标

1、知识与技能：

了解合成氨对人类社会发展的重要意义。

利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。

了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义。

2、过程与方法：

通过实验学习合成氨反应原理，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。

结合合成氨的基本生产过程及合成氨工业发展，理解实际生产中问题。

3、情感态度与价值观：

通过本节的学习，说明工业生产中加快反应，提高原料利用率，节约能源及环境保护的一些措施和方法。

教学重点：合成氨的反应原理、合成氨生产的适宜条件

教学难点：合成氨生产适宜条件

教学方法：讨论探究 多媒体

三、教学过程

1、创设情境，激发兴趣

如果要问20世纪对人类影响最大的发明是什么？大部分人可能会觉得是计算机科学的兴起。但从人类作为一个族群繁衍的角度来说，最为重要的恰恰是常被忽视的化肥工业尤其是合成氨技术的发展。

如果离开电脑，电视，核反应堆，航天飞机，人类还是会一样发展繁衍下去。但离开了合成氨技术，全球总人口很难在经历了两次世界大战等一系列动荡后仍旧一路从1900年的16亿增加到现在的70余亿。那么，合成氨技术是什么呢？它是怎么开发出来的呢？中国的化肥工业又是经历了多少磨难才发展到今天的？

氮在自然界的循环过程

思考与交流：

事实1：在地壳中氮的含量只有0.04%，而大气中氮气的体积分数为78%。

问题1.如何有效利用廉价的自然资源来生产含氮化合物？

事实2：土壤中不多的含氮化合物主要来自：雷雨放电时在大气中生成的氮的氧化物，随雨水进入土壤；某些菌类（与豆科植物共生的根瘤菌）可以吸收空气中的氮而生成某些含氮化合物；随着动物的排泄物或腐败尸体中的含氮化合物进入土壤。

问题2.哪一种自然过程可能会成为工业化生产过程?

阅读课本P10：什么是氮的固定?工业固氮的方法是什么？

探究一：合成氨的反应原理

播放实验实验视频，给出合成原理：N2+3H2

2NH3

讨论1：假如你是一个工厂的厂长，对工业生产你主要应考虑哪些问题？

经济效益和社会效益：

原料的利用率高

增大化学反应限度

单位时间内产率高

增大化学反应速率

另外还要考虑生产中的消耗能源、原料来源、设备条件、环境保护等因素。

思考：工业合成氨时主要考虑的因素？

（1）多

即提高平衡混合物里氨的含量

——化学平衡问题

（2）快

即提高单位时间里氨的产量——化学反应速率问题

（3）绿色

即注意环境保护, 反应物利用率接近百分之百

（4）便宜

成本低, 如对耐高温设备所需材料的要求

复习：影响化学反应速率和化学平衡移动的重要因素有哪些? 讨论2：请同学们结合合成氨的化学反应方程式，说明该反应有什么特点？

分析：合成氨的反应特点

N2+3H2

2NH3

①

可逆反应

②正反应是放热反应

③正反应气体体积缩小

讨论3:合成氨的适宜条件的选择



外界条件浓度N2、H2NH3温度压强催化剂探究的内容

多平衡移动快反应速率选择

探究的问题

压强怎么定？

温度怎么选择？

要不要用催化剂？

浓度怎么定？N2和H2的比例怎么定？

【合作探究】

1既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？

2既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？

3 催化剂对化学平衡的移动没有影响，

在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？

4各物质浓度对反应速率有哪些影响？

精讲点拨-工业生产条件的选择

1、压强怎么选？根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在200～500大气压之间。

2、温度怎么选择？实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。

3、用不用催化剂？实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。

4、浓度怎么确定?适当提高廉价反应物的浓度，原料循环利用，提高原料的利用率。

小结：工业上利用某可逆反应生产产品条件的选择

1、使用催化剂：

2、合适的温度：

3、合适的压强：

小扩展：工业合成氨的工业流程

三、合成氨工业的发展

1.原料及原料气的净化

原料中氮气在空气中是取之不尽用之不竭的；早期：以焦炭和水为原料生产水煤气制得氢。现在：用不同的固态、液态和气态的可燃物为原料制得氢。

2.催化剂的改进

催化剂的性质往往决定化学反应的条件，催化剂的突破可以彻底改变工艺流程。

四、合成氨的新技术

合成氨新工艺一：原电池原理的应用

（19全国I卷）.利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。

合成氨新工艺二：新型催化剂的突破

中国科学技术大学熊宇杰教授和龙冉副教授课题组应用金属纳米材料，实现了在常温常压条件下氨的合成。

五、-课堂达标练习

1、工业合成氨中能提高氨的产量的是（

）

A、升高温度

B 、降低压强

C、使用催化剂

D 、及时分离出氨气

2、在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（ ）

A

将NH3分离出来

B

使用催化剂

C 700K左右的高温

D

2×107～5×107Pa的压强

3、合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：

CO(g)+H2O（g）

CO2(g)+H2(g)（正反应放热），下列措施中，能提高CO转化率的是（

）

A 增大压强

B 降低温度

C 增大水蒸气浓度

D 增大CO浓度

4、下列有关合成氨工业的叙述，可用勒沙特列原理来解释的是

（

）

A．合成氨厂采用的压强是20MPa～50MPa，因为该压强下铁触媒的活性最强

B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应

C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反应

D．使用铁触媒，使N2和H2的混合气体有利于合成氨

5、为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中最具有开发价值的是(

) A．寻找N2的新来源

B．研制低温下活性较大的催化剂

C．研制500 ℃左右时活性较大的催化剂

D．研制耐高温、高压的材料，用于建造氨合成塔

作业：课本p20 练习