最新高中化學(xué)第2章化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率2.4化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨教案1魯科版選修4

PAGE4化學(xué)反響條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能:了解如何應(yīng)用化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件；了解應(yīng)用化學(xué)反響原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法，體驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異；通過對(duì)合成氨適宜條件的分析，認(rèn)識(shí)化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡的控制在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。過程與方法:在化學(xué)反響的方向、限度、速率等理論為指導(dǎo)的根底上帶著學(xué)生選擇適宜的反響條件，引導(dǎo)學(xué)生考慮合成氨生產(chǎn)中動(dòng)力、設(shè)備、材料生產(chǎn)效率等因素，尋找工業(yè)合成氨生產(chǎn)的最正確條件。情感、態(tài)度與價(jià)值觀:認(rèn)識(shí)化學(xué)反響原理在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，提升學(xué)生對(duì)化學(xué)反響的價(jià)值的認(rèn)識(shí)，從而贊賞化學(xué)科學(xué)對(duì)個(gè)人生活和社會(huì)開展的奉獻(xiàn)。教學(xué)重點(diǎn)：應(yīng)用化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡原理選擇合成氨的適宜條件。教學(xué)難點(diǎn)：應(yīng)用化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡原理選擇合成氨的適宜條件。教學(xué)過程：【提問】影響化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些？【學(xué)生】答復(fù)【注意】催化劑只能改變化學(xué)反響速率，不能改變化學(xué)平衡狀態(tài)?！窘處煛拷裉爝@節(jié)課我們就看看如何利用化學(xué)反響的有關(guān)知識(shí)將一個(gè)化學(xué)反響實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，我們以工業(yè)合成氨為例。首先我們看看合成氨的有關(guān)背景?！就队啊空故靖ダ锎摹す膱D像【投影】弗里茨·哈伯與合成氨合成氨從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了約150年的時(shí)間。德國科學(xué)家哈伯在10年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了無數(shù)次的探索，單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑，2年間他們就進(jìn)行了多達(dá)6500次試驗(yàn)，測試了2500種不同的配方，最后選定了一種適宜的催化劑，使合成氨的設(shè)想在1913年成為工業(yè)現(xiàn)實(shí)。鑒于合成氨工業(yè)的實(shí)現(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院于1918年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?！就队安⒅v解】化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)反響的方向化學(xué)反響的限度化學(xué)反響的速率工藝流程化學(xué)工藝學(xué)高壓對(duì)設(shè)備材質(zhì)、加工制造的要求、溫度的催化劑活性的影響等合成氨反響能否自發(fā)怎樣能促使化學(xué)反響向合成氨方向移動(dòng)怎樣能提高合成氨反響速率適宜的合成氨條件【交流·研討】P65合成氨反響是一個(gè)可逆反響:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)298K時(shí):△H=-92.2KJ·mol—1，△S=-198.2J·K—1·mol—1請(qǐng)根據(jù)正反響的焓變和熵變分析298K下合成氨反響能否自發(fā)進(jìn)行？298K下合成氨反響的平衡常數(shù)K為4.1×106〔mol·L—1)—2【學(xué)生】假設(shè)△H和△S不隨溫度變化，算得T<465.2K?！咎釂枴坑^察合成氨的化學(xué)反響，說明合成反響的特點(diǎn)：【投影】N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H＝-92.2kJ/mol(1體積)(3體積)(2體積)【學(xué)生】①可逆反響②熵減小的反響③正反響氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小④正反響是放熱反響【板書】第四節(jié)化學(xué)反響條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨一、合成氨反響的限度【交流·研討】請(qǐng)利用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)分析什么條件有利于氨的合成。P65【投影】NHNH3%0.30.20.11：11：21：31：41：51：6n(N2):n(H2)【學(xué)生答復(fù)】降低溫度、增大壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)，N2、H2體積比為1：3時(shí)平衡混合物中氨的含量最高?！景鍟慷?、合成氨反響的速率【交流·研討】P661、你認(rèn)為可以通過控制那些反響條件來提高合成氨反響的速率？2、實(shí)驗(yàn)研究說明，在特定條件下，合成氨反響的速率與反響的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為:ν=κC(N2)C1.5(H2)C—1(NH3)，請(qǐng)你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃度對(duì)反響速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反響速率？3、請(qǐng)你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對(duì)合成氨反響速率的影響：催化劑對(duì)合成氨反響速率的影響條件△E/KJ/molk(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167【學(xué)生答復(fù)】1.升高溫度增大壓強(qiáng)增大反響物濃度使用催化劑2.增大N2、H2濃度,將氨及時(shí)從混合氣中別離出去3.使用催化劑可使合成氨反響的速率提高上萬億倍。【板書】三、合成氨的適宜條件【投影】合成氨的適宜條件的選擇外界條件使NH3生產(chǎn)得快使NH3生產(chǎn)得多速率分析平衡分析壓強(qiáng)高壓高壓溫度高溫低溫催化劑使用無影響反響物的濃度增大濃度增大濃度生成物氨的濃度減小濃度減小濃度【交流·研討】研討的內(nèi)容研討的問題研討的結(jié)構(gòu)1、既然增大壓強(qiáng)既可提高反響速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好？壓強(qiáng)怎么定？2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好溫度怎么選擇？3、催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒有影響，在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑，為什么？要不要用催化劑？【分析】1、壓強(qiáng)怎么選？①合成氨反響是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反響，增大壓強(qiáng)既可以增大反響速率，又能使平衡正向移動(dòng)，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。②但是壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動(dòng)力大，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。【結(jié)論】綜合以上兩點(diǎn):根據(jù)反響器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)。【分析】2、溫度怎么選擇？①因?yàn)檎错懛较蚴欠艧岬姆错懀越档蜏囟扔欣谄胶庹蛞苿?dòng)。②可是溫度越低，反響速率越小，到達(dá)平衡所需要的時(shí)間越長，因此溫度也不宜太低。③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。【結(jié)論】綜合以上因素:實(shí)際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右〔主要考慮催化劑的活性〕?！痉治觥?、用不用催化劑？經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益要求化學(xué)反響速度要快，原料的利用率要高，單位時(shí)間的產(chǎn)量要高?！窘Y(jié)論】實(shí)際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑〔鐵觸媒〕，它在700K時(shí)活性最高?！痉治觥?、濃度怎么定？N2和H2的比例怎么定？增大反響物的濃度可以增大反響速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動(dòng)。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1：3時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成?！窘Y(jié)論】實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化別離出去；及時(shí)將氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)利用，使其保持一定的濃度。【投影】研討的結(jié)果外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)根據(jù)反響器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)溫度適宜溫度700K左右催化劑使用鐵觸媒作催化劑濃度N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8的投料比,氨及時(shí)從混合氣中別離出去【板書】合成氨的方程式〔注意條件〕【小結(jié)】【教師小結(jié)】工業(yè)上利用某可逆反響生產(chǎn)產(chǎn)品：1、一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)反響速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益；2、選擇適宜的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度；3、選擇適宜的壓強(qiáng)：既要考慮化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡，還要考慮動(dòng)力、材料、設(shè)備等。【教師】我國合成氨工業(yè)的開展情況：解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠；1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸；2000年到達(dá)3363.7萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。擁有多種原料、不同流程的大、中、小合成氨廠1000多家?！就队啊亢铣砂钡墓I(yè)前景1、催化劑合成氨的鐵催化劑這一類合成氨催化劑以復(fù)原鐵為催化劑主要活性成分，并摻加各種促進(jìn)劑和載體的催化劑.促進(jìn)劑：稀土金屬及其氧化物關(guān)于稀土金屬及其氧化物的作用，我國也進(jìn)行了一些研究。國外也報(bào)道了一些含釤、鋯、鈀、銠的催化劑研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)稀土金屬及其氧化物是對(duì)氨合成非常有效的促進(jìn)劑。我國有豐富的鈦、鋯、鈮等稀有金屬資源，因此，以稀有金屬氧化物為促進(jìn)劑，有希望成為我國改良工業(yè)合成氨的鐵催化劑的研究方向之一。合成氨的釕催化劑合成氨熔鐵型催化劑要在高溫、高壓和耗能高的苛刻條件下使用，且催化劑的活性并不是很高。而合成氨的釕催化劑可能是一種較好的催化劑。它在低溫低壓下活性很高，常壓下比合成氨的鐵催化劑的活性高10—20倍，且對(duì)水、CO和CO2不敏感，但合成氨的釕催化劑在高壓下未必比合成氨的鐵催化劑來得優(yōu)越。2.化學(xué)模擬生物固氮現(xiàn)在，世界上好多國家〔包括我國〕的科學(xué)家，都在研究模擬生物固氮，即尋找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由兩種蛋白質(zhì)組成。一種蛋白質(zhì)〔二氮酶〕的分子量約22萬，含有兩個(gè)鉬原子、32個(gè)鐵原子和32個(gè)活性硫原子；另一種蛋白質(zhì)〔二氮復(fù)原酶〕是由兩個(gè)分子量為29000的相同亞基構(gòu)成的，每個(gè)亞基含有4個(gè)鐵原子和4個(gè)硫原子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些金屬有機(jī)化合物有可能作為可溶性的固氮催化劑。3.超聲波固氮：氮?dú)庠谕ǔ顟B(tài)下十分穩(wěn)定，一般難以發(fā)生化學(xué)反響，但在超聲波作用下，可以使氮分子中的化學(xué)鍵削弱，從而在較溫和的條件下就可以發(fā)生化學(xué)反響。在室溫下用超聲波輻射溶有空氣的飽和水溶液后，可以測到處理過的水中含有亞硝酸、硝酸等；如果處理溶有氮?dú)狻錃夂鸵谎趸嫉娘柡退芤?，可以測到甲醛、氫氰酸和咪唑等物質(zhì)，這些實(shí)驗(yàn)對(duì)人工固氮的研究提供了一條新的途徑?！具w移應(yīng)用】P70、2工業(yè)制造硫酸的主要反響為:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H=-197.8KJ/mol①SO3(g)+H2O(l)H2SO4(aq)②反響①的平衡常數(shù)K隨溫度升高而減小.所用催化劑的主要成分為V2O5(6％-12％)、K2SO4(17％-20％)、SiO2(50％-70％),能使催化劑中毒的物質(zhì)有砷、硒、氟等.請(qǐng)根據(jù)以上信息討論二氧化硫氧化反響的工藝條件(溫度、壓強(qiáng)、原料氣配比等)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)硫酸的影響.【投影材料】2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H＜0其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表〔1〕應(yīng)選用的溫度是450℃?！?〕應(yīng)采用的壓強(qiáng)是常壓，理由是因?yàn)槌合耂O2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，假設(shè)采用較大壓強(qiáng)，SO2的轉(zhuǎn)化率提高很少，但需要的動(dòng)力更大，對(duì)設(shè)備的要求更高?！?〕在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目是。〔4〕原料氣必需