课题2　人工固氮技术──合成氨优秀说课稿

第3课时 合成氨的反应原理

学案

【学习目标】[来源学科网ZXXK]

1.了解合成氨的反应原理。

2.了解如何利用反应速率和化学平衡知识，选择合成氨的适宜条件。

【重点难点】

合成氨的反应原理和合成氨的适宜条件

课前预习

【情景材料】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？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？

【预习内容】

根据教材有关内容填写下列空白：

一、氮的存在和固定

1．存在

地壳中含量只有 ，大气中氮气占空气体积的 。

2．氮的固定

(1)概念：氮的固定是指 的方法。

(2)分类

二、合成氨的反应原理

1.反应原理：用氢气和氮气合成氨的化学方程式为： 如下图合成氨装置

。

[来源:学科网]

加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氮气的混合气体，可以看到润湿pH试纸变

色。

2.反应特点：合成氨反应是一个 、 、 的反应。

3.反应条件：工业上，合成氨的适宜条件为 、

。

、 预习内容答案

一、1.0.04%

78% 2.将游离态氮转化为化合态氮

通过闪电等产生氮的化合物

豆科植物的根瘤菌固氮

工业合成氨

二、1.N2＋3H22NH3

蓝

2.可逆

放热

气体分子总数减少

3.铁为主的催化剂

400～500℃，10～30 MPa 堂中互动

【问题探究1】利用课本P9的图1-4氮的自然界的循环来理解如何有效利用廉价的自然资源来生产含氮化合物？哪一种自然过程可能会成为工业化生产过程？

【教师点拨】将游离态氮转化为化合态氮的方法叫氮的固定，把握概念与物质的性质。

分析解答:氮的自然界的循环图中可以找到氮气与含氮化合物之间的转化，从氮的固定概念

出发找到物质间的转化方式与氮的固定的分类。

【即学即练1】农作物生长发育需要大量的氮养分，除了可用人工固氮方法(合成氨)获得氨态氮外，自然界雷电现象也是一种固氮途径，经由雷电固定的氮是硝态氮(硝酸或硝酸盐形式)，写出氮气转化为硝酸的化学方程式__________________________，______________________，______________________________________。

放电1.N2＋O2=====2NO

2NO＋O2===2NO2

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 【解析】电闪雷鸣的雨天，会产生放电现象，使空气中的氮气和氧气反应生成了一氧化氮，一氧化氮又被氧气氧化成二氧化氮。二氧化氮在雨水中与水反应生成硝酸。

【问题探究2】合成氨反应是一个可逆反应：N2(g) + 3H2(g)2NH3(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？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。

【教师点拨】估算得出△H－T△S＜0，推知该反应可以自发进行。书写合成氨反应的热化学方程式。

分析解答

N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H = -92.2 kJ·mol-1

归纳：①可逆反应；②正反应是放热反应；③正反应是气体的物质的量减小（或熵减小）的反应。

【即学即练2】对于可逆反应N2(气)＋3H2(气)

(

) A．达到平衡时反应物和生成物浓度一定相等

B．达到平衡后加入氨气，重新达到平衡时，氨气的浓度比原平衡时大

C．达到平衡时，升高温度加快了吸热反应的速率，降低了放热反应的速率，所以平衡向逆反应的方向移动

D．加入催化剂可以缩短到达平衡的时间，这是因为加快了正反应的速率，而减慢了逆反应的速率

2.B【解析】往往错选C、D，原因：对升高温度可以使平衡向吸热反应方向移动的原因认识不清；对使用催化剂可缩短到达平衡所用时间的原因认识不清；正确选项为B。

【问题探究3】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。

1.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？

2.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) c(H2) c (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？可以采取哪些措施来提高反应速率？

1.5-12NH3(气)

ΔH<0，下列说法正确的是

3.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) 335 167源:Zxxk.Com][来源:学科网ZXXK][来源:学科网ZXXK][来3.4×10(460℃) 12

【教师点拨】选择适宜生产条件的原则：

⑴

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。

⑵

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。

⑶

既要注意理论上的需要，又要注意实际操作的可能性。

分析解答：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。

【即学即练3】下列有关合成氨工业的说法中，正确的是(

) A.从合成塔出来的混合气体中，氨气占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低

B.由于氨易液化，N2和H2在实际生产中循环使用，所以总体来说，氨的产率很高

C.合成氨工业的反应温度控制在500 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动

D.我国合成氨厂采用的压强是10～30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大

3.B【解析】虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%，但由于原料气N2和H2循环使用和不断分离出液氨，所以生产NH3的效率还是很高的，因此A项不正确。控制反应温度为500 ℃，一是为了使反应速率不至于很低，二是为了使催化剂活性最大，因此，C选项不正确。增大压强有利于NH3的合成，但压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，我国的合成氨厂一般采用1×10～3×10Pa，但这并不是因为该压强下铁触媒的活性最大，因此，D选项不正确。

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