高二化學《化學反應原理》2.4合成氨》

1、第4節(jié) 化學反應條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨知識與技能：.了解如何應用化學反應速率和化學平衡原理分析合成氨的適宜條件；.了解應用化學反應原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法，體驗實際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異；通過對合成氨適宜條件的分析，認識化學反應速率和化學平衡的控制在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。過程與方法：在化學反應的方向、限度、速率等理論為指導的基礎上帶領學生選擇適宜的反應條件，引導學生考慮合成氨生產(chǎn)中動力、設備、材料生產(chǎn)效率等因素，尋找工業(yè)合成氨生產(chǎn)的最佳條件。情感態(tài)度與價值觀：認識化學反應原理在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，提升學生對化學反應的價值的認識，從而贊賞化學科學對個人生活和社會發(fā)展的貢獻。教學重

2、難點：應用化學反應速率和化學平衡原理選擇合成氨的適宜條件。課型：新課課時安排：課時教學過程：【提問】影響化學反應速率和化學平衡的重要因素有哪些？【學生】回答【注意】催化劑只能改變化學反應速率，不能改變化學平衡狀態(tài)?！窘處煛拷裉爝@節(jié)課我們就看看如何利用化學反應的有關知識將一個化學反應實現(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背景?！就队啊空故靖ダ锎墓膱D像【投影】弗里茨哈伯與合成氨合成氨從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了約150年的時間。德國科學家哈伯在10年的時間內進行了無數(shù)次的探索，單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑，2年間他們就進行了多達6500次試驗，測試了2500種不同的配方

3、，最后選定了一種合適的催化劑，使合成氨的設想在1913年成為工業(yè)現(xiàn)實。鑒于合成氨工業(yè)的實現(xiàn)，瑞典皇家科學院于1918年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學獎?！就队安⒅v解】化學熱力學化學動力學化學反應的方向化學反應的限度化學反應的速率工藝流程化學工藝學高壓對設備材質、加工制造的要求、溫度的催化劑活性的影響等合成氨反應能否自發(fā)怎樣能促使化學反應向合成氨方向移動怎樣能提高合成氨反應速率適宜的合成氨條件【交流研討】P65 合成氨反應是一個可逆反應: N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時: H= -92.2KJmol1 ， S = -198.2JK1mol1請根據(jù)正反應的焓變和熵變分析298K下合成

4、氨反應能否自發(fā)進行？298K下合成氨反應的平衡常數(shù)K為4.1106（molL1)2【學生】假設H和S不隨溫度變化，算得T465.2K ?！咎釂枴坑^察合成氨的化學反應，說明合成反應的特點：【投影】N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol(1體積) (3體積) (2體積)【學生】可逆反應 熵減小的反應 正反應氣態(tài)物質系數(shù)減小 正反應是放熱反應【板書】第四節(jié)化學反應條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨一、合成氨反應的限度【交流研討】請利用化學平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成。P65【投影】NH3%0.60.50.40.30.20.11：1 1：2 1：3 1：4 1：5 1：

5、6n(N2):n(H2)【學生回答】 降低 溫度、 增大 壓強有利于化學平衡向生成氨的方向移動，N2、H2體積比為 1：3 時平衡混合物中氨的含量最高。【板書】二、合成氨反應的速率【交流研討】P66 1、你認為可以通過控制那些反應條件來提高合成氨反應的速率？2、實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應的速率與反應的物質的濃度的關系為: =C(N2)C1. 5(H2)C1(NH3) ， 請你根據(jù)關系式分析：各物質的濃度對反應速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應速率？3、請你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對合成氨反應速率的影響：條件 E /KJ/molk(催)/k(無)無催化劑3353.4101

6、2(700k)使用Fe催化劑167催化劑對合成氨反應速率的影響【學生回答】1.升高溫度 增大壓強 增大反應物濃度 使用催化劑2.增大N2、H2濃度,將氨及時從混合氣中分離出去3.使用催化劑可使合成氨反應的速率提高上萬億倍?！景鍟咳⒑铣砂钡倪m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高壓高壓溫度高溫低溫催化劑使用無影響反應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】研討的內容研討的問題研討的結構1、既然增大壓強既可提高反應速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好？壓強怎么定？2、既然降低溫度有利于平

7、衡向生成氨的方向移動，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好溫度怎么選擇？3 、催化劑對化學平衡的移動沒有影響， 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、壓強怎么選？合成氨反應是氣態(tài)物質系數(shù)減小的氣體反應，增大壓強既可以增大反應速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強越大越好。 但是壓強越大，對設備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動力大，因此選擇壓強應符合實際科學技術?！窘Y論】綜合以上兩點:根據(jù)反應器可使用的鋼材質量及綜合指標來選擇壓強?！痉治觥?、溫度怎么選擇？因為正反應方向是放熱的反應，所以降低溫度有利于平衡正向移動。 可是溫度越低，反應速率越小，達到平衡所需要的時間越長，

8、因此溫度也不宜太低。催化劑要在一定溫度下催化活性最大?！窘Y論】綜合以上因素:實際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）。【分析】3、用不用催化劑？經(jīng)濟效益和社會效益要求化學反應速度要快， 原料的利用率要高，單位時間的產(chǎn)量要高?！窘Y論】實際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在700K時活性最高?！痉治觥?、濃度怎么定？ N2和H2的比例怎么定？增大反應物的濃度可以增大反應速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動。從化學平衡的角度分析，在氮氣和氫氣的物質的量比為1：3時，平衡轉化率最大，但是實驗測得適當提高N2的濃度，即N2和H2的物質的量比為1：2.8時，更能促進氨

9、的合成?！窘Y論】實際生產(chǎn)中的處理方法：及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；及時將氮氣和氫氣循環(huán)利用，使其保持一定的濃度?！就队啊垦杏懙慕Y果外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強根據(jù)反應器可使用的鋼材質量及綜合指標來選擇壓強溫度適宜溫度 700K左右催化劑使用鐵觸媒作催化劑濃度N2和H2的物質的量比為1：2.8的投料比, 氨及時從混合氣中分離出去【板書】合成氨的方程式（注意條件）【小結】【教師小結】工業(yè)上利用某可逆反應生產(chǎn)產(chǎn)品： 1、一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學反應速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟效益； 2、選擇合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度； 3、選擇合適的壓強：既要考慮化學反應速率和

10、化學平衡，還要考慮動力、材料、設備等。【教師】我國合成氨工業(yè)的發(fā)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年達到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還原鐵為催化劑主要活性成分，并摻加 各種促進劑和載體的催化劑.促進劑：稀土金屬及其氧化物關于稀土金屬及其氧化物的作用，我國也進行了一些研究。國外也報 道了一些含釤、鋯、鈀、銠的催化劑研究結果，發(fā)現(xiàn)稀土金屬及其氧化物是對氨合成非常有效的促進劑。我國有豐富的鈦、

11、鋯、鈮等稀有金屬資源，因此， 以稀有金屬氧化物為促進劑，有希望成為我國改進工業(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1020倍，且對水、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.化學模擬生物固氮現(xiàn)在，世界上好多國家（包括我國）的科學家，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組成。一種蛋白質（二氮酶）的分子量約22萬，含有兩個鉬

12、原子、32個鐵原子和32個活性硫原子；另一種蛋白質（二氮還原酶）是由兩個分子量為29000的相同亞基構成的，每個亞基含有4個鐵原子和4個硫原子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些金屬有機化合物有可能作為可溶性的固氮催化劑。 3.超聲波固氮：氮氣在通常狀態(tài)下十分穩(wěn)定，一般難以發(fā)生化學反應，但在超聲波作用下，可以使氮分子中的化學鍵削弱，從而在較溫和的條件下就可以發(fā)生化學反應。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；如果處理溶有氮氣、氫氣和一氧化碳的飽和水溶液，可以測到甲醛、氫氰酸和咪唑等物質，這些實驗對人工固氮的研究提供了一條新的途徑。 【遷移應用】P70、2工業(yè)制造硫酸的主

13、要反應為:2SO2(g) + O2(g) = 2SO3(g) H=-197.8 KJ/mol SO3(g) + H2O(l) = H2SO4 (aq) 反應的平衡常數(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有砷、硒、氟等.請根據(jù)以上信息討論二氧化硫氧化反應的工藝條件(溫度 、壓強、原料氣配比等)對工業(yè)生產(chǎn)硫酸的影響.【投影材料】已知2SO2(g)+O2(g)2SO3 (g) H0其實驗數(shù)據(jù)見表（1）應選用的溫度是 450 。（2）應采用的壓強是 常壓 ，理由是 因為常壓下SO2的轉化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強，SO2的轉化率提高很少，但需要的動力更大，對設備的要求更高 。（3）在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目是 。（4）原料氣必需凈化