2.4基于化學(xué)史的化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控的深度教學(xué)探索-以工業(yè)合成氨反應(yīng)為例 課件高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1

新人教版選擇性必修一第二章第四節(jié)《化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控》基于化學(xué)史的化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控的深度教學(xué)探索——以工業(yè)合成氨反應(yīng)為例1教材分析本節(jié)教材編寫順序1原理分析主要是討論合成氨可能的條件2聯(lián)系實際結(jié)合生產(chǎn)實際情況，

介紹合成氨的條件3形成思路根據(jù)合成氨適宜條件的選擇的討論中形成選擇適宜生產(chǎn)條件的基本思路4研究概況介紹合成氨的研究歷史和發(fā)展前景★教學(xué)目標(biāo)(1)通過工業(yè)合成氨適宜條件的選擇與優(yōu)化，認識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的主要作用。(2)在合成氨適宜條件的討論中，形成多角度分析化學(xué)反應(yīng)和化工生產(chǎn)條件的思路，體會化學(xué)反應(yīng)原理的應(yīng)用價值?！锝虒W(xué)重點與難點(1)重點：合成氨反應(yīng)中化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控。(2)難點：形成多角度調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的思路。教學(xué)目標(biāo)與重難點2教學(xué)過程n

18世紀(jì)末，英國化學(xué)家克魯克斯“先天下之憂而憂”，率先發(fā)出為了使子孫后代免于饑餓“向空氣要氮肥”的號召?；瘜W(xué)創(chuàng)造了第二個大自然！課題引入討論與交流N2＋3H22NH3?H=－92.2kJ/mol

?S=－198.2J/(K·mol)溫度/℃25350400450600700平衡常數(shù)5×1081.8470.5070.1520.0092.6×10－318世紀(jì)末，有人試圖在常溫常壓下合成氨，也有人在常溫加壓下進行實驗。預(yù)測結(jié)果如何？?G=?H－T?S弗里茨·

哈伯弗里茨·哈伯（Fritz

Haber，1868年12月9日~1934年1月29日），德國化學(xué)家，出生在德國西里西亞布雷斯勞（現(xiàn)為波蘭的弗羅茨瓦夫）的一個猶太人家庭。1909年，成為第一個從空氣中制造出氨的科學(xué)家，使人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動局面，加速了世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因此獲得1918年瑞典科學(xué)院諾貝爾化學(xué)獎。一戰(zhàn)中，哈伯擔(dān)任化學(xué)兵工廠廠長時負責(zé)研制、生產(chǎn)氯氣、芥子氣等毒氣，并使用于戰(zhàn)爭之中，造成近百萬人傷亡，遭到了美、英、法、中等國科學(xué)家們的譴責(zé)。分析討論弗里茨·

哈伯與能斯特的不同的合成氨條件研究者壓強/atm溫度/℃催化劑平衡混合氣中NH3所占體積分數(shù)哈伯150~250550鋨8.25%能斯特50685鉑粉0.96%為什么哈伯獲得的平衡混合氣中NH3的體積分數(shù)比能斯特的高？為什么不采用更低的溫度，以獲得更高的產(chǎn)率？選擇合成氨反應(yīng)適宜條件的思維模型討論：

催化劑對適宜條件的要求及對設(shè)備的要求高溫高壓對合成氨的不利影響？對設(shè)備的要求？博施采用鐵觸媒為合成氨的催化劑，討論以下問題：應(yīng)如何選擇適宜的溫度和壓強？博施博施（1874～1940），德國工業(yè)化學(xué)家。博施在巴登苯胺純堿公司的重大成就是使F.哈伯發(fā)明的合成氨法實現(xiàn)工業(yè)化。他組織力量找到了合適的合成氨催化劑，完善了高壓反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并解決了氮、氫原料氣的工業(yè)生產(chǎn)方法等問題。因此，巴登苯胺純堿公司于1913年在奧堡建立了世界第一座合成氨工廠，并命名這種合成氨法為哈伯－博施法。因在高壓化學(xué)合成技術(shù)上作出的重大貢獻，與柏吉斯共獲1931年諾貝爾化學(xué)獎。思考與討論反應(yīng)條件：投料比c(N2):c(H2)=1:2.9、反應(yīng)溫度439℃、壓強30.0MPaN2＋3H2 2NH3N2H2NH3合成塔出塔口各組分濃度(mol/L)1.032.990.997反應(yīng)達平衡時各組分濃度(mol/L)0.7472.102.51計算該溫度下平衡常數(shù)與Qc并進行比較。如何提高原料氣的轉(zhuǎn)化率？從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個角度，分析合適的調(diào)控方法。反應(yīng)很慢（破壞氮氮三鍵需要很高的能量），但升高溫度會導(dǎo)致反應(yīng)ΔG>0

使得氨氣又分解。在1000°C時，合成氨只占到混合氣體的0.01，根本沒有意義。提高反應(yīng)速率

提高轉(zhuǎn)化率反應(yīng)條件：濃度、溫度、壓強、催化劑思考與討論

根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點，應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量？對合成氨反應(yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強催化劑增大合成氨的反應(yīng)速率

提高平衡混合物中氨的含量

增大增大反應(yīng)物濃度移走氨升溫降溫增大增大正催化劑不影響增大合成氨的反應(yīng)速率與提高平衡混合物中氨的含量所應(yīng)采取的措施是否一致?①升高溫度，氨的含量降低。這與反應(yīng)速率是矛盾的；②增大壓強，氨的含量增大。這與反應(yīng)速率是一致的。【數(shù)據(jù)分析】壓強越大，NH3%越大溫度越低，NH3%越大若追求產(chǎn)率，怎么選條件？若追求速率，怎么選條件？壓強問：合成氨工業(yè)中一般采用的壓強為10-30Mpa，為什么不采用＞30Mpa的壓強？

壓強越大，對材料的強度和設(shè)備的制造要求也越高，需要的動力也越大，這會加大生產(chǎn)投資，可能降低綜合經(jīng)濟效益。圖2-11

400℃下平衡時的體積分數(shù)隨壓強的變化示意圖壓強增大，氨的含量增大，合成氨的反應(yīng)速率加快。選擇生產(chǎn)條件的原則：既要注意理論上的需要，又要注意實際操作上的可能性。【平衡、速率角度一致】溫度問：合成氨工業(yè)中一般采用的溫度為400-500℃，為什么不采用＜400℃的溫度？溫度太低，反應(yīng)速率太小，達到平衡所需的時間變長，不經(jīng)濟。圖2-12

10MPa下平衡時氨的體積分數(shù)隨溫度的變化示意圖升高溫度，合成氨的反應(yīng)速率加快，但氨的含量減小。選擇生產(chǎn)條件的原則：綜合考慮影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素，尋找合適且符合實際需求的生產(chǎn)條件。催化劑問：在高溫高壓下N2和H2的反應(yīng)仍然十分緩慢，請?zhí)岢龊线m的方法解決上述問題。催化劑：改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)物在較低溫度時能較快地進行反應(yīng)。弗里茨·哈伯：鋨或用鈾—碳化鈾作催化劑鋨：效果好，但儲量極少且鋨蒸汽有劇毒。鈾：價格昂貴，性質(zhì)過于敏感卡爾·博施：尋找廉價、安全、穩(wěn)定的催化劑。6500次試驗，2500種不同配方，最終選用活化溫度700K左右的含鉛鎂促進劑的鐵觸媒。圖2：催化劑不同溫度下的催化能力催化劑鐵觸媒在500℃左右時的活性最大混有的雜質(zhì)使催化劑“中毒”，原料氣必須經(jīng)過凈化催化劑合成氨的適宜條件催化機理合成氨過程中包含幾個基元反應(yīng)？哪個步驟是合成氨反應(yīng)的決速步驟？決速步中所需要的能量主要用于克服哪種微粒間的作用力？擴散→吸附→表面反應(yīng)→脫附→擴散理解催化劑作用下的反應(yīng)歷程吸附表面反應(yīng)脫附催化劑多個峰的含義？1.加入催化劑之后，活化能大大降低;

2.加入催化劑之后，產(chǎn)生了幾個小峰，說明發(fā)生了幾個反應(yīng)。理解催化劑作用下的反應(yīng)歷程計算機模擬的鐵觸媒參與下合成氨反應(yīng)能量-反應(yīng)歷程圖決速步驟合成氨圖：NH3的平衡體積分數(shù)隨投料比變化的曲線①從化學(xué)平衡的角度分析，在氮氣和氫氣的物質(zhì)的量比為1：3時，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實驗測得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8時，更能促進氨的合成。②及時分離生成的NH3，為N2和H2騰出更多可供吸附的催化劑表面空間問：在溫度與壓強的最佳條件下，平衡混合物中氨的含量仍不高?【原理分析】【實際選用】a、迅速冷卻氨氣成液態(tài)并及時分離b、將氨分離后的原料氣循環(huán)使用，并及時補充氮氣和氫氣，使反應(yīng)物保持一定的濃度。n(N2):n(H2)

≈1:2.8合成氨的工藝流程未來與展望科學(xué)家使用具有高質(zhì)子電導(dǎo)率的SCY陶瓷(能傳導(dǎo)H＋)為合成氨的介質(zhì)，實現(xiàn)了高溫常壓下氨氣的合成，請分析電極反應(yīng)式。總反應(yīng)：

N2＋3H2=2NH3鈀電極A鈀電極B未來與展望生物固氮的能力是化學(xué)固氮能力的數(shù)千倍，可根據(jù)生物燃料電池的原理進行電化學(xué)合成氨的設(shè)計。當(dāng)生物燃料電池工作時，在電極與酶之間有MV＋/MV2＋傳遞電子，請分析電極及固氮酶區(qū)域的反應(yīng)式。總反應(yīng)：

N2＋3H2=2NH3固氮酶區(qū)域氫化酶區(qū)域本節(jié)課教學(xué)主線1.1913年德國化學(xué)家哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大滿足了當(dāng)時日益增長的人口對糧食的需求。下列所示是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是（

）A.①②③ B.②④⑤C.①③⑤ D.②③④B

2.據(jù)報道，在300℃、70MPa下由二氧化碳和氫氣合成乙醇已成為現(xiàn)實：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列敘述錯誤的是（

）A.使用Cu--Zn--Fe催化劑可大大提高生產(chǎn)效率B.反應(yīng)需在300℃下進行可推測該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)C.充入大量CO2氣體可提高H2的轉(zhuǎn)化率D.從平衡混合氣體中分離出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率B

?3.某溫度下，對于反應(yīng):N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)

ΔH＝－92.4