课题2　人工固氮技术──合成氨教学设计和教学实录

“工业合成氨”教学设计

杜鹰

1

教材分析

本节教学是人教版选二第一章第二节工业合成氨条件选择第一课时教学内容。本节内容是选修四

“化学反应的方向”、“化学反应的限度”、“化学反应的速率”的延续，是对上述知识的综合应用。合成氨工业对化学工业、国防工业和我国实现农业现代化具有重要意义，是重要的化学工业之一；同时氮气、氢气合成氨反应也是一个学生熟悉的、典型的平衡体系。本节以合成氨反应为研究对象，有利于学生应用化学平衡理论和化学反应速率理论尝试综合选择化工生产的适宜条件，从而体会化学理论的学习对生产实践的指导作用。

2

学情分析

2.1

学生的认知、思维水平

他们正处于生理的高速发展期，认识能力和知识水平都达到了较高的层次，他们正经历着从习惯于感性思维、形象思维向更加关注理性思维、抽象思维的转轨期，所以在教学中注意引导学生分析、讨论，使他们的认识过程从直观的体验和想象上升到理性的思维阶段。

2.2学生的学习方式

经过高中一二的训练，学生善于质疑、主动思考、积极获取知识的学习习惯已基本养成，参与意识、合作意识已有较明显提高。

2.3学生已有知识基础

通过本章的学习，学生对化学平衡理论和化学反应速率理论有了一定程度的认识。

3

教学目标

3.1

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。

3.2

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。

3.3

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。

4

教学重点和难点

4.1

知识与技能上的重难点：

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。

4.2

过程与方法上的重难点：

了解应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和和方法。

5 教学过程设计

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

【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课题

引入

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？

【投影】合成氨的车间外貌和生产设备图（略）

倾听、思考。

浏览图片。

创设问题情境。

【设问】假如你是一个工厂的厂长，对畅销产品的成本、生产效提出

率作何要求？

问题

【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？

引入新回答：降低成本、提高生产效率、增加产品的产量和质量。

课，激发兴趣。

培养学回答：从反应限度和反应速率两个方面。

生思维的有序性。

回答：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。

进行热力学分析，利用平衡移动原理分析如何提高氨的产量。

【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问题

氨的合成。

探究

【板书】

二、合成氨反应的速率

【交流·研讨】

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？

【投

回答：

1．升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂。

理论上压强越大越好。但是压强越大，第二步是进行动力学分析，研究反应的速率问题。

旨在提示学生从理论分析（化学平衡和化学反应速率理论）和生产实际（如高压对设备材质、加工制造讨论的内容

影】

对设备的要求高、压缩N2和H2需要的动力⑴

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？

问题

拓展

⑵

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？

⑶

降低温度有利于化学平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？

⑷

在合成氨工业中，反应物N2和H2的浓度比例应该如何确定？

大，因此应根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。

需要。使用催化剂可以提高合成氨反应的速率，实际生产中选用铁催化剂。

不是。虽然降低温度有利于平衡正向移动，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，的要求和所需铁催化剂在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）。

能耗的多少、温度对催化剂活性的影响

从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气等）两个角度的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大。

考虑问题。

培养学生读图能力。

【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。

【交流·研讨】

观看投影，获取信息。

阅读教材，得出结论：实验表明适当提培养学生自学能力，概括能力。

结合生产数据介绍合成氨实际生产条件，使学生在解决实际问题的过程中进一步加深对所学理论的理解。

3．为了提高合成氨生产的能力，你认为还可以在哪些方面高N2的比例，当N2和H2的物质的量比为1：做进一步改进？（请结合课本67页最后一段到68页第一段的内2.8时更能加快合成氨反应的进行。

容）

【板书】

研讨的结果

问题

解决

外部条件

压强

温度

催化剂

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浓度

进行循环利用。适当提高氮氢比，n(N2)：n(H2)=1：2.8。

教学环节

教师活动

【小结·反思】

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

小结

反思

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。

【设问】选择适宜生产条件的原则是什么？

【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：

归纳

总结

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。

问题

展望

【投影】

合成氨的工业前景

感受。

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。

理解并笔记。

课堂反思

1．知识收获：

2．方法收获：

学生活动

设计意图

培养学生的归纳能力和反思能力。

激励探究精神。

对学生渗透矛盾存在的普遍性的哲学观点。

拓宽学生的视野。

【随堂检测】

1．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

练习

巩固

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．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（

）。

检测目标完成情况。

题1考查内容是逻辑思维能力。

布置

作业

【作业】

课本第70页的“迁移应用”。

6

教学小结与反思

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。

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。在教学过程中，我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。