课题2　人工固氮技术──合成氨优秀教案板书设计

工业合成氨

一、教学目标

知识与技能：

1．了解如何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；

2．了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；

3．通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。

过程与方法：

1．通过对合成氨适宜条件的研究选择，学会把握主要矛盾、统筹兼顾解决问题的能力，培养理论联系实际的能力；

2．在运用理论解决问题的过程中，进一步加深对所学理论的理解，提高实际应用能力；

3．通过讨论、交流发现问题和解决问题，体验合作学习的过程和乐趣。

情感态度与价值观：

1．初步形成从多方面综合思考问题的意识；

2．认识化学反应原理在工业生产中的重要作用，提升学生对化学反应的价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。

二、教学重点和难点

重点：应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。

难点：如何引导学生应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和和方法。

三、教学过程设计

[联想质疑] 利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，经历了约130年的时间。化学反应N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的发展过程？（倾听、思考）

合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？（创设问题情境）

[投影] 合成氨的车间外貌和生产设备图。（浏览图片）

[设问] 假如你是一个工厂的厂长，对畅销产品的成本、生产效率作何要求？（降低成本、提高生产效率、增加产品的产量和质量）

[引入] 现在工厂合成氨气，应从哪些方面选择合成氨的反应条件呢？（从反应限度和反应速率两个方面）

[交流研讨] 合成氨反应是一个可逆反应：N2(g) + 3H2(g) NH3(g) 。已知298K时：△H = -92.2 kJ·mol-1，△S = -198.2 J·K-1·mol-1 。请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？（估算得出△H－T△S＜0，推知该反应可以自发进行）。

[提问] 请同学们写出合成氨反应的热化学方程式，并讨论说明合成氨反应的特点。（可逆反应、正反应是放热反应、正反应是气体的物质的量减小的反应）

[评价并板书] N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) △H = -92.2 kJ·mol-1 [板书] 第四节

化学反应条件的优化——工业合成氨

一、合成氨反应的限度

[交流研讨] 请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。（降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动；N2与H2的体积比为1：3时，平衡混合物中氨的含量最高）

[板书] 二、合成氨反应的速率

[交流研讨] 你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？

[自由发言]（升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂）

[交流研讨] 实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率和参与反应的物质的浓度的关系式为：ν

= k c (N2) c1.5(H2) c -1(NH3)。请你根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？（合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比）。可以采取哪些措施来提高反应速率？（增大N2、H2浓度，将NH3及时从混合气中分离出去）

[交流研讨] 请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：

条件

无催化剂

使用铁催化剂

Ea / kJ·mol-1 k (催) / k (无) 335 3.4×1012(700K) 167 （引导学生回答）使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高很多倍。

[板书] 三、合成氨的适宜条件

[交流研讨]根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？请将你的建议填入下表。（学生自由发言后归纳得出）

[交流研讨]从化学平衡和化学反应速率两个角度来综合分析，你认为合成氨的适宜条件该如何确定？请参考下列图表内容进行分组讨论。（分8个小组进行讨论）

[投影] （培养学生读图能力）

讨论的内容

[小组汇报] （1）增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产第1、2小组：理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求高、压量，那么在合成氨工业中，压强是否越大越好？

缩N2和H2需要的动力大，因此应根（2）催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。

工业中要不要使用催化剂，为什么？

（3）降低温度有利于化学平衡向生成氨的方向移第3、4小组：需要。使用催化剂可以提高合成氨反应的速率，实际生产中动，那么生产中是否温度越低越好？

选用铁催化剂。

（4）在合成氨工业中，反应物N2和H2的浓度比第5、6小组：不是。虽然降低温度有例应该如何确定？

利于平衡正向移动，但是温度越低反应速率越小，达平衡所需要的时间越长，因此温度不宜太低。此外，铁催化剂在700K左右的催化活性最大。综合以上因素，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）。

第7、8小组：从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大。

[投影] 实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用。（观看投影，获取信息）

[交流研讨] 为了提高合成氨生产的能力，你认为还可以在哪些方面做进一步改进？（结合课本67页最后一段到68页第一段的内容）

（阅读教材，得出结论）实验表明适当提高N2的比例，当N2和H2的物质的量比为1：2.8时更能加快合成氨反应的进行。

[板书] （研讨的结果）

外部条件

压强

温度

催化剂

浓度

工业合成氨的适宜条件

适当高压，一般在2×107～5×107Pa 适宜温度，700K左右

使用铁催化剂

适时将产物氨液化分离，未转化的N2和H2进行循环利用。适当提高氮氢比，n(N2)：n(H2)=1：2.8。

[小结] 关于合成氨的工业化生产

（1）合成氨的工业条件的选择——反应速率和化学平衡共同作用的结果

（2）选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。

（3）此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气（氮气和氢气）的循环使用、反应热的综合利用等问题。

[反思] 知识收获：

方法收获：

[设问] 选择适宜生产条件的原则是什么？（讨论出注意浓度、压强、温度、催化剂等对反应速率和化学平衡的共同影响）

[评价并板书] 选择适宜生产条件的原则

[投影] 选择适宜生产条件的原则：

（1）既要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的矛盾性。

（2）既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性；又要注意催化剂的活性对温度的限制。

（3）既要注意理论上的需要，又要注意实际操作的可能性。

（理解并笔记）

[投影] 合成氨的工业前景（拓宽学生的视野）

[随堂检测] 1．（考查逻辑思维能力）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．不断将NH3分离出来

B．使用催化剂

C．采用700K左右的高温

D．采用2×107～5×107 Pa的压强

2．（考查思维的广阔性和综合性）工业上用以合成氨的原料之一——氢气，有一种来源是取自石油气。有人设计了以下反应途径，假设反应都能进行，你认为最合理的是（）。

3．（考查思维的灵活性和深刻性）接触法制取硫酸的SO2催化氧化过程中，反应的适宜温度为，其理由是。此反应是气体体积缩小的反应，但工业生产中并未采用加压措施的原因是。为提高SO2的转化率，工业上常使用的方法是。有关实验数据如下表所示：

[随堂检测参考答案] 1．解析：因催化剂不影响化学平衡移动，合成氨是放热反应，降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动。答案：B、C。

2．解析：注意本题反应方程式未配平，而工业生产要求成本低、原料利用率高、反应条件相对比较温和。答案：C。

3． 450℃。

加快反应速率，但温度过高不利于SO3生成，提高催化剂的活性等合理答案。

常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高，成本提高很大。通入过量的空气。

[作业] 课本第70页的“迁移应用”。

四、教学小结与反思

1．新课程理念倡导学生能够从问题和任务出发，积极主动地通过交流研讨等活动，以获取知识和技能、发展能力、培养情感体验为目的的学习方式，本课例是以此为指导思想展开的。

2．本节课的重点是应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件，教学主旨是使学生了解应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和方法，初步形成从多方面综合思考问题的意识。

3．在教学过程中，充分利用教材中提供的“交流·研讨”组织学生展开讨论，引导学生将所学的理论知识与合成氨工业的实际问题相联系，做到学以致用。