63-2林夕勛老師《合成氨反應(yīng)及其反應(yīng)條件的選擇》教學設(shè)計

1、6.3-2合成氨反應(yīng)及其反應(yīng)條件的選擇教學設(shè)計東昌中學林夕勛2011.5.3教學設(shè)計思路：以“合成氨反應(yīng)的發(fā)生和工業(yè)生產(chǎn)反應(yīng)條件的研究”歷史為主線，讓學生感受科學家科學探索的過程，體驗科學難題研究的方法和態(tài)度對于科研研究的重要意義，同時通過對哈伯的科學精神和道德價值的認識，結(jié)合目前國內(nèi)食品添加劑的安全和生產(chǎn)道德，對學生進行科學道德的教育，樹立正確的人生價值觀；在學習了化學反應(yīng)速度和化學平衡移動原理以后，用該理論研究工業(yè)合成氨生產(chǎn)反應(yīng)條件的選擇，體驗科學理論對工業(yè)生產(chǎn)的重要指導意義，同時考慮工業(yè)生產(chǎn)中設(shè)備、材料等的實際情況和綜合的經(jīng)濟效益，合理地選擇適宜的生產(chǎn)條件；通過對合成氨反應(yīng)催化劑技術(shù)的發(fā)

2、展前景的設(shè)想，體驗科學發(fā)展無極限，體驗科學創(chuàng)新精神和意識。第一部分：閱讀“勒夏特列、能斯特、哈伯”三位杰出科學家合成氨反應(yīng)的研究故事，體驗科學難題研究的方法和態(tài)度對于科研研究的重要意義。第二部分：合成氨反應(yīng)條件選擇的理論分析和實際生產(chǎn)選擇的討論。引導學生運用化學反應(yīng)速率和化學平衡原理等知識，從反應(yīng)速率的角度和從化學平衡的角度來分析，合成氨反應(yīng)對外界條件（溫度、壓強、催化劑）的選擇要求；再考慮合成氨生產(chǎn)中動力、設(shè)備、材料等的實際情況，從實際出發(fā)合理地選擇合成氨的生產(chǎn)條件；結(jié)合合成氨生產(chǎn)過程示意圖，簡單分析濃度對合成氨生產(chǎn)的影響，以及原料的循環(huán)使用等問題，從提高綜合經(jīng)濟效益的角度，來理解合成氨反應(yīng)

3、適宜條件的選擇和操作要求。第三部分：合成氨工業(yè)發(fā)展前景催化劑技術(shù)。（生物技術(shù)和催化劑技術(shù)酶。“鹽酸酶能把食鹽直接變成鹽酸”）從拓寬學生的思路出發(fā)，主要目的不在于知識本身，而更多地應(yīng)側(cè)重于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和訓練科學方法。一教學目標1、知識與技能（1）掌握工業(yè)合成氨的反應(yīng)條件（2）掌握工業(yè)合成氨反應(yīng)條件的選擇依據(jù)2、過程與方法（1）通過閱讀合成氨反應(yīng)的發(fā)展史，體驗科學家探索科學難題的過程和方法。（2）通過對合成氨反應(yīng)條件選擇的討論，理解化學理論對實際化工生產(chǎn)的指導意義。3、情感態(tài)度與價值觀（1）通過三位杰出科學家對合成氨反應(yīng)的研究故事，感悟科學研究的態(tài)度和方法；（2）認識哈伯的科學態(tài)度和道德價值

4、觀，樹立科學和道德正確的人生價值觀。（3）激發(fā)學生對化學及化學工業(yè)的興趣.二教學重點和難點1、重點：（1）體驗科學難題探索的方法和態(tài)度，人生價值觀教育；（2）合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇。2、難點：合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇。三教學方式：閱讀、講解、問題討論四教學流程引入：一個化學反應(yīng)能解決幾十億人的吃飯問題，有人稱其為“明星反應(yīng)”，你知道是哪個反應(yīng)嗎？學生：合成氨反應(yīng)。教師：板書反應(yīng)方程式教師：這個反應(yīng)看似簡單卻曾是20世紀初的世紀難題。合成氨反應(yīng)曾經(jīng)使三位杰出科學家“敗也辱成也辱”,成為合成氨化學發(fā)展史上的“水門事件”。在今天看來這個顯而易見的反應(yīng)，在論證這個反應(yīng)能否發(fā)生的問題上，卻成了兩位曾經(jīng)

5、的諾貝爾化學獎獲得者“勒夏特列和能斯特”的滑鐵盧“敗”。德國化學家哈伯因為攻克這個世界難題，實現(xiàn)合成氨反應(yīng)的工業(yè)化,對人類社會發(fā)展特別是糧食的生產(chǎn)作出巨大貢獻,而獲得1918年的諾貝爾化學獎“成”。同時也是因為這個反應(yīng)使哈伯墮落“敗”。【資料一】：19世紀初，糧食供應(yīng)已經(jīng)無法滿足人口增長的需求，要增加單位面積產(chǎn)量，人們就認識到含氮化合物的氮肥在農(nóng)業(yè)中的巨大作用。當時含氮化合物主要來自智利的硝酸鈉礦石，有限的礦產(chǎn)資源使得含氮化合物的價格十分高，不能滿足工農(nóng)業(yè)的需要?？墒谴髿獬煞值奈宸种亩际堑獨?，一些有遠見的化學家指出：考慮到將來的糧食問題，為了使子孫后代免于饑餓，我們必須寄希望于科學家能實現(xiàn)“

6、大氣固氮。設(shè)想，當一個人發(fā)現(xiàn)漂浮在自己周圍的不再是空氣而是一個個漢堡時，他會以怎樣巨大的熱情投入這項工作。法國化學家勒夏特列是合成氨的先驅(qū)。1901年，勒沙特列，根據(jù)他提出的“平衡移動”原理，高壓低溫有利于氨的生成，通過理論計算，認為n2和h2在高壓條件下可以直接化合生成氨。他在用實驗來驗證的過程中發(fā)生了爆炸，鋼制釜體的碎片穿透了地板和天花板。他沒有調(diào)查事故發(fā)生的原因，而是覺得這個實驗有危險，就放棄了。后來查明實驗失敗的原因是他所用混合氣體中含有02，在實驗過程h2和02發(fā)生了爆炸的反應(yīng)。在勒沙特列合成氨試驗之后，德國化學家能斯特通過理論計算，竟然認為合成氨是不能進行的。后來才發(fā)現(xiàn)，他在計算時

7、誤用了一個熱力學數(shù)據(jù)，以致得到錯誤的結(jié)論。由于能斯特在物理化學領(lǐng)域的權(quán)威性，人工合成氨的研究陷入了低潮。問題1：兩位科學家失敗的原因是什么？對將來我們進行科學研究有什么啟示？勒沙特列和能斯特的失誤則給人們有益的啟示，那就是：搞學問要有鍥而不舍的精神，堅韌不拔的毅力和一絲不茍的工作作風。兩位科學家雖然都失敗了，但是在研究方案可行性方面，為我們提供了科學研究的一般思路，那就是理論論證實驗驗證?！举Y料二】在合成氨研究屢屢受挫的情況下，能斯特結(jié)論的公布給同時也在研究合成氨的哈伯很大的打擊。哈伯沒有盲從權(quán)威，知難而進，依靠實驗來檢驗，通過比較，哈伯發(fā)現(xiàn)他所取得的某些數(shù)據(jù)與能斯特有所不同，最終證實了能斯特

8、的計算是錯誤的。問題2：根據(jù)你所學的知識，分析合成氨反應(yīng)難以發(fā)生的原因是什么？什么條件下反應(yīng)可能發(fā)生？【資料三】哈伯首先想到，也許高溫會進行這個反應(yīng)。結(jié)果卻出乎意料，當溫度升高到1000r時，氨的產(chǎn)量才不過是原料體積的0.012%，還不如低溫度時的產(chǎn)量。但是，降低反應(yīng)溫度時，反應(yīng)卻又變得十分緩慢。哈伯的實驗陷入困境，哈伯對高溫法產(chǎn)生了困惑。1903年，伯克蘭和艾德采取在空氣中放電的方法固氮。哈伯赴美國考察，回國后也采用高壓放電固氮，實驗歷時一年效果不盡人意。經(jīng)過慎重考慮，哈伯覺得放電法需要大量的電力，不易形成流程化，沒有前途，決定再回到高溫法。1905年底，哈伯確定了氮氣和氫氣的混和氣體在高溫

9、高壓及催化劑的作用下合成氨。但什么樣的高溫和高壓條件為最佳？以什么樣的催化劑為最好？問題3：請你分析高溫法為何產(chǎn)量低？哈伯最終又選擇了高溫法的原因是什么？問題4：對于反應(yīng)條件的選擇工業(yè)生產(chǎn)需要考慮哪些因素?反應(yīng)快選擇較快的反應(yīng)速率。產(chǎn)量多一一盡量增大反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率，提高單位時間產(chǎn)率。效益高一一充分利用原料、降低能耗。問題5：請你根據(jù)“多快好省”的原則，看如何選擇合成氨的反應(yīng)條件和操作？合成氨反應(yīng)特點探析角度反應(yīng)條件使NH3生成得快（化學反應(yīng)速率問題）使NH3生成得多（化學平衡移動問題）速率與平衡移動條件是否一致綜合考慮可逆反應(yīng)反應(yīng)物盡可能多的轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物正反應(yīng)放熱溫度高溫低溫不一致正反應(yīng)是氣體體積

10、減小的反應(yīng)壓強高壓高壓一致催化劑使用無影響濃度增大反應(yīng)物濃度減小生成物濃度（及時分離NH3）n2、h2循環(huán)使用【資料四】經(jīng)過四年幾千次的實驗和計算，哈伯在1908年7月在實驗室用和H2,在600C,200個大氣壓下合成出氨，產(chǎn)率僅有2%,卻是一項重大突破。又經(jīng)過研究和改進，在1909年取得了鼓舞人心的成果：在550C的高溫、200個大氣壓和鋨為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為6%的合成氨。由于溫度高，壓力大，哈伯的實驗裝置在幾天后的另一次試驗中發(fā)生了爆炸，變成一堆廢鐵。問題6：6%的產(chǎn)率并不高，影響生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。在溫度和壓強不變的情況下，如何提高原料的轉(zhuǎn)化率？（哈伯認為若能使反應(yīng)氣體在高壓下循

11、環(huán)加工，并從這個循環(huán)中不斷地把反應(yīng)生成的氨分離出來，則這個工藝過程在經(jīng)濟效益上也是可行的。于是他成功地設(shè)計了原料氣的循環(huán)工藝。）【資料五】1909年哈伯在德國最大的化工公司“BASF”的資助下研究得以繼續(xù)，巴斯夫（BASF）是全球領(lǐng)先的化工公司：TheChemicalCompany?！癇ASF”公司工程師博施和總化學師米塔奇參與了耐高溫高壓裝置和催化劑的研究。米塔奇承擔了催化劑的探索工作，為了檢驗催化劑的效能，他們首先在哈伯所用裝置的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計和制造了24臺可以連續(xù)運轉(zhuǎn)的小型高溫高壓反應(yīng)器，從1909年開始應(yīng)用這種裝置對制出的2500種催化劑多次加以檢測，兩年間進行了多達6500次試驗。

12、結(jié)果發(fā)現(xiàn)在磁性氧化鐵中加人2%-6%氧化鋁以及0.2%-0.6%鉀的復合催化劑特別有效，而且此后再沒有找到更好的。ftri.2.博施承擔了制造耐高溫高壓的裝置，博施等人通過多次試驗。1910年制出兩個較小的反應(yīng)器（轉(zhuǎn)化器）作為生產(chǎn)裝置，它是一個高2.5m、內(nèi)徑約15cm、壁厚30mm的鋼管，但都在工作80h后爆裂了。研究原因再次改進。1911年3月又開始采用新裝置生產(chǎn)，經(jīng)過一個月無事故運轉(zhuǎn)后又進一步擴大裝置。但隨著規(guī)模增大，又出現(xiàn)許多高壓附屬設(shè)備如壓縮機、管道等也不斷發(fā)生破損。博施等人又用去大量時間，按照設(shè)備使用目的，對10萬種以上配件，設(shè)定了制造標準和要求。最終博施采用雙層結(jié)構(gòu)的方式才解決了

13、設(shè)備耐高溫高壓問題，德國化學家博施在建造合成塔的時候，把設(shè)備改造成里外兩圓筒具有雙壁的裝置，冷的高壓原料氣由兩壁間空隙導入，實現(xiàn)了輸人氣體和排出氣體間的熱交換。1912年在德國奧堡建成世界上第1個合成氨裝置：一座高8m、直徑45cm、重3.5t的反應(yīng)器，次年開始產(chǎn)氨，年產(chǎn)氨8740t,人們稱之為哈伯-博施法。博施因在化工設(shè)備耐高溫高壓方面的巨大貢獻也獲得了1931年的諾貝爾化學獎。問題7：哈伯-博施法合成氨工藝中如何體現(xiàn)節(jié)能減排的？（原料氣的制取、凈化、壓縮一一合成塔中進行nh3的合成nh3的分離和n2、h2的循環(huán)壓縮使用。）【資料六】當哈伯的工藝流程展示之后，立即引起了早有用戰(zhàn)爭吞并歐洲稱霸

14、世界的野心.的德國軍政要員的高度重視，為了利用哈丄伯，德國皇帝也屈尊下駕請哈伯出任德國威廉研究所所長之職。而惡魔的需要正好迎合了哈伯想成百萬富翁的貪婪心理。到了第一次世界大戰(zhàn)期間的1915年，BASF的氨產(chǎn)量已達6萬噸。為侵略者制造了數(shù)百萬噸炸藥因而導致并蔓延了這場殃禍全球的世界大戰(zhàn)。哈伯的最大可恥在于第一次世界大戰(zhàn)期間，首開化學毒氣用于戰(zhàn)爭的先河，為德國政府研制化學武器。“毒氣戰(zhàn)”造成英法聯(lián)軍約15000人中毒，并帶走了5000多人的性命。不過,這場毒氣戰(zhàn)最終并沒有給德國人帶來勝利，卻讓哈伯陷入了眾叛親離的境地。哈伯的妻子克拉克也是化學博士，很清楚毒氣的危害。當她懇求丈夫放棄這種慘無人道的武

15、器時,丈夫不聽勸阻還咒罵她。憤怒和無奈之下，克拉克用哈伯的手槍自殺身亡。但這并沒有促使狂熱的“愛國者”冷靜下來。1918年，哈伯因研制合成氨作出重大貢獻而獲得諾貝爾化學獎，由于第一次世界大戰(zhàn)中哈伯為德國軍方研制殺人化學武器，哈伯被戰(zhàn)勝國列入戰(zhàn)犯名單。他的獲獎受到美、英、法等國科學家的指責，認為不應(yīng)把此獎授予一位不人道的科學家。在得知自己獲獎的消息后,還只能躲在瑞士的鄉(xiāng)下。他非常害怕自己會被當做戰(zhàn)犯審判。哈伯很清楚在過去的幾年里,自己在戰(zhàn)場上犯下了怎樣的罪行。1920年，哈伯的名字被從戰(zhàn)犯名單里剔除，瑞典皇家科學院為他舉行了遲到的授獎儀式。哈伯也對自己曾經(jīng)的行為進行了深刻反思。一戰(zhàn)后，哈伯帶著一種贖罪的心情認真工作，到1929年他的領(lǐng)導威廉研究成為當時世界最著名的科研中心。德國納粹當政期間，哈伯對迫害猶太人的政策十分不滿，辭去了所長職務(wù)。哈伯已從第一次世界大戰(zhàn)時期自己的行為中吸取了教訓，成為了一位正直的科學家。1933年，哈伯接受劍橋大學邀請前往英國工作。1934年因心臟病發(fā)作去世，年僅66歲。問題8：對哈伯德成功和個人對金錢的追求，你是如何評價的？人們是這樣評價哈伯的：他是天使，為