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)化教案魯科版選修

第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化

—工業(yè)合成氨【工業(yè)合成氨的發(fā)展歷史】Fritz-Haber(1868-1934)NobelPrize1918實(shí)驗(yàn)室合成氨CarlBosch(1874-1940)NobelPrize1931實(shí)現(xiàn)工業(yè)合成氨GerhardErtlNobelPrize2007對(duì)合成氨機(jī)理進(jìn)行了實(shí)證研究1784年發(fā)現(xiàn)氨1913年實(shí)現(xiàn)氨的工業(yè)化,給全人類帶來了福音。N2(g)+3H2(g)2NH3(g)1907年德國(guó)化學(xué)家哈伯第一次在實(shí)驗(yàn)室成功制取了氨。學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過小組討論，能應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件。2.通過對(duì)合成氨適宜條件的分析，體驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異，并歸納出分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法。3.通過認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)原理在合成氨工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，提升對(duì)化學(xué)反應(yīng)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)發(fā)展的貢獻(xiàn)。學(xué)習(xí)過程【問題探究一】合成氨反應(yīng)的限度和速率【問題探究二】

合成氨的適宜條件早在19世紀(jì)以前，英國(guó)物理學(xué)家克魯克斯率先發(fā)出了“向空氣中要氮肥”的號(hào)召。空氣中富含現(xiàn)成的氮?dú)夂脱鯕?，而氫氣需要人工制備，為什么科學(xué)家不選擇氮?dú)夂脱鯕?，而選擇氮?dú)夂蜌錃馊ズ铣砂蹦?？化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)溫度（℃）平衡常數(shù)N2+3H2?2NH3255×108N2+02?2NO253.8×10-31N2+02?2NO20000.1思考展示小組分工及要求○聲音洪亮，條理清楚○口頭表述清晰流暢，能夠解答質(zhì)疑展示要求展示內(nèi)容展示小組展示方式探究一問題17口頭表述+黑板展示探究一問題28口頭表述+黑板展示5分鐘【問題探究一】合成氨反應(yīng)的限度和速率問題1合成氨反應(yīng)的限度材料1：合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

已知298K時(shí)：△H=—92.2kJ·mol-1，△S=—198.2J·K-1·mol-1

表1合成氨平衡混合氣中氨的體積分?jǐn)?shù)（原料氣中氮?dú)潴w積比為1:3）根據(jù)以上信息，回答下列問題：1.結(jié)合表1，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。2.N2、H2體積比為___________時(shí)平衡混合物中氨的含量最高。3.除此之外，還可以改變什么條件有利于氨的合成呢？

NH3%0.60.50.40.30.20.1

1:11:21:31:41:51:6n(N2):n(H2)圖1原料投料比對(duì)平衡混合氣中氨的體積分?jǐn)?shù)的影響問題2合成氨反應(yīng)速率材料1：實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為:ν=kc(N2)c1.5(H2)c—1(NH3)。材料2：表2催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響根據(jù)以上信息，回答下列問題：1.根據(jù)材料1，可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？2.根據(jù)材料2，分析催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響？3.結(jié)合已學(xué)知識(shí)和材料，你認(rèn)為可以通過控制哪些條件來提高合成氨反應(yīng)的速率？條件Ea/KJ/molk(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167外界條件使NH3生產(chǎn)得多使NH3生產(chǎn)得快平衡分析速率分析

壓強(qiáng)溫度催化劑反應(yīng)物濃度生成物的濃度增大壓強(qiáng)升高溫度使用增大反應(yīng)物濃度增大壓強(qiáng)降低溫度無影響增大反應(yīng)物濃度【小結(jié)】根據(jù)以上理論分析，應(yīng)分別采取什么措施提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率？減小生成物的濃度減小生成物的濃度

1907年德國(guó)化學(xué)家哈伯等人在實(shí)驗(yàn)室選擇鋨為催化劑，溫度約600℃，200個(gè)大氣壓的不尋常的高壓條件下，第一次成功制取了氨。獲得1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。Fritz-Haber合成氨是哈伯一生最大的成就，盡管實(shí)驗(yàn)室制得NH3，但氨的平衡含量很低，并沒有馬上得到工業(yè)界的青睞。他的研究步入低谷，合作伙伴中途撤資，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手冷嘲熱諷。哈伯沒有氣餒，他堅(jiān)信：若能使N2、H2在高壓下循環(huán)加工，并從循環(huán)系統(tǒng)中不斷分離，在工業(yè)上肯定會(huì)有價(jià)值，著名的“哈伯循環(huán)”成功問世。贊揚(yáng)他的人說他是‘天使’——用空氣制造面包;詛咒他的人稱他為‘魔鬼’——開化學(xué)武器之先河。（1）盡可能提高反應(yīng)混合物中所需物質(zhì)的百分含量；（2）盡可能縮短反應(yīng)到達(dá)平衡所需要的時(shí)間；（3）盡可能降低對(duì)耐高溫高壓設(shè)備所需材料的要求。(4)符合綠色化學(xué)理念(一是注意環(huán)境保護(hù)二是原子利用率接近百分之百)假如你是一家合成氨的BOSS，選擇工業(yè)合成氨適宜條件時(shí)主要考慮的哪些因素？【資料一】鋨是一種貴重金屬，儲(chǔ)量較少，開發(fā)成本高，粉末狀的金屬鋨，常溫下會(huì)逐漸氧化成四氧化鋨。四氧化鋨在48℃時(shí)熔化，在130℃時(shí)沸騰。鋨蒸汽有劇毒，強(qiáng)烈刺激人眼黏膜，嚴(yán)重會(huì)造成失明?！举Y料二】高溫高壓條件下，氫氣會(huì)使鋼脫碳，會(huì)導(dǎo)致“氫腐蝕”。氫腐蝕有2種形式：（1）氫氣與鋼表面的碳結(jié)合，引起表面脫碳，使機(jī)械性能惡化；（2）氫氣滲透到鋼材內(nèi)部，與碳化合生成甲烷，在鋼材內(nèi)部造成裂紋。當(dāng)時(shí)的試驗(yàn)情況是，盡管反應(yīng)塔壁厚達(dá)3cm，也僅僅使用3天就破裂了?！举Y料三】當(dāng)?shù)獨(dú)馀c氫氣體積比為1:3時(shí)平衡混合物中氨的含量最高，但是氮?dú)庠诖呋瘎┥衔绞欠磻?yīng)中最難發(fā)生的步驟，是影響反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟。【資料四】催化劑鐵觸媒在不同溫度下活性不同。尋找合適的催化劑，降低成本制造耐高溫高壓設(shè)備調(diào)整氮、氫比例選擇合適的溫度你可能不知道展示小組分工及要求○聲音洪亮，條理清楚○口頭表述清晰流暢，能夠解答質(zhì)疑展示要求展示內(nèi)容展示小組展示方式探究二12口頭表述+黑板展示小結(jié)13口頭表述+黑板展示5分鐘

研討的內(nèi)容研討的問題

研討的結(jié)果4.氮?dú)馀c氫氣物質(zhì)的量之比？為什么是1:2.8而不是1:3？1、既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)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？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？溫度怎么選擇？要不要用催化劑？【問題探究二】合成氨的適宜條件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。1:2.8時(shí)更能加快合成氨反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)提高催化劑的吸附速率。根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)。實(shí)際生產(chǎn)中壓強(qiáng)一般選擇在200～500大氣壓之間。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）。博施【博施團(tuán)隊(duì)—工業(yè)合成氨適宜條件】

當(dāng)時(shí)德國(guó)最大的化工企業(yè)BASF公司買下哈伯合成氨專利后，組織以化學(xué)工程師博施為首的工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)付諸實(shí)施，將其轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)力。博施先后試驗(yàn)了2500種配方，進(jìn)行了6500次實(shí)驗(yàn)，終于確定了使用鐵觸媒作為工業(yè)合成氨的催化劑。經(jīng)過多次試驗(yàn)后，博施用含碳量極低檔次熟鐵作為反應(yīng)塔的襯里，并在鋼壁上開許多小孔讓透過熟鐵出來的氫氣跑掉，1913年雙層反應(yīng)塔終于誕生了。鑒于他在發(fā)展高壓化學(xué)方面取得的成就，榮獲1932年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。【實(shí)驗(yàn)室合成氨的條件】溫度壓強(qiáng)催化劑濃度450℃2×107Pa金屬鋨使氨氣氫氣循環(huán)，分離出氨氣反應(yīng)速率，反應(yīng)限度催化劑活性鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)成本實(shí)際反應(yīng)情況溫度壓強(qiáng)催化劑濃度700K2×107—5×107Pa鐵觸媒氮?dú)鈿錃馕镔|(zhì)的量之比1:2.8哈伯博施【工業(yè)合成氨適宜條件】工業(yè)生產(chǎn)需要課堂小結(jié)方法引導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)條件的選擇與優(yōu)化一般思路與方法：（1）條件的選擇—反應(yīng)速率和化學(xué)平衡共同作用的結(jié)果。（2）既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速率，而應(yīng)該尋找以較高的反應(yīng)速率獲得適當(dāng)平衡轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。（3）考慮原料的價(jià)格、未轉(zhuǎn)化的合成氣的循環(huán)使用、反應(yīng)熱的綜合利用等問題。450℃

常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強(qiáng)，SO2的轉(zhuǎn)化率提高很少，但需要的成本更高，對(duì)設(shè)備的要求更高，得不償失。典例分析1.從理論上分析，為了使二氧化硫的盡可能轉(zhuǎn)化為三氧化硫，可控制的條件是_______________。2.實(shí)際生產(chǎn)中，選定的溫度_________。3.實(shí)際生產(chǎn)中，采用的壓強(qiáng)為常壓，其原因是_____________________