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2019-2020年魯科版高中化學選修4第二章 第4節(jié) 化學反應條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨教學設計1 【教學目標】 知識與技能： 1．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； 2．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； 3．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調控在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。 過程與方法： 1．通過對合成氨適宜條件的研究選擇，學會把握主要矛盾、統(tǒng)籌兼顧解決問題的能力，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力； 2．在運用理論解決問題的過程中，進一步加深對所學理論的理解，提高實際應用能力； 3．通過討論、交流發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，體驗合作學習的過程和樂趣。 情感態(tài)度與價值觀： 1．初步形成從多方面綜合思考問題的意識； 2．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。 【教學過程】 合成氨的車間外貌和生產(chǎn)設備圖。（瀏覽圖片） 一、合成氨反應的限度 1．反應原理 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　298 K時　ΔH＝－92.2 kJmol－1　ΔS＝－198.2 Jmol－1K－1。 2．反應特點 合成氨反應是一個能自發(fā)進行的、放熱的、氣體體積減小的可逆反應。 3．有利于氨生成的措施 (1)降低溫度、增大壓強有利于化學平衡向生成氨的方向移動。 (2)在一定的溫度和壓強下，反應物中N2和H2的體積比為1∶3時平衡混合物中氨的含量最高。 二、合成氨反應的速率 1．濃度 在特定條件下，合成氨反應的速率與參加反應的物質的濃度的關系式為v＝k c(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，由關系式可知，增大N2或H2的濃度，減小NH3的濃度，都有利于提高合成氨的速率。 2．催化劑 使用催化劑，可顯著降低反應的活化能，使反應速率提高上萬億倍。 3．溫度 溫度對合成氨反應的速率也有顯著影響：溫度越高，反應進行得越快。 4．壓強 壓強越大，反應進行得越快。 三、合成氨的適宜條件 1．合成氨反應條件的選擇 工業(yè)生產(chǎn)中，必須從反應速率和反應限度兩個角度選擇合成氨的適宜條件，既要考慮盡量增大反應物的轉化率，充分利用原料，又要選擇較快的反應速率，提高單位時間內的產(chǎn)量，同時還要考慮設備的要求和技術條件。 2．合成氨的適宜條件 反應 條件 壓強 溫度 催化劑 濃度 1107～1 108Pa 700 K左右 鐵觸媒(鐵) 使氣態(tài)NH3變成液態(tài)NH3并及時從平衡混合物中分離出去，及時補充N2和H2 四、工業(yè)生產(chǎn)中化學反應條件優(yōu)化的原則 外界 條件 有利于加 快速率的 條件控制 有利于平 衡移動的 條件控制 綜合分析結果 濃度 增大反應 物的濃度 增大反應物的濃度，減小生成物的濃度 不斷地補充反應物，及時地分離出生成物 催化 劑 加合適的 催化劑 無影響 加合適的催化劑 溫度 高溫 ΔH<0 低溫 兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適宜溫度 ΔH>0 高溫 在設備條件允許的前提下，盡量采取高溫并選取適宜的催化劑 壓強 高壓(有氣 體參加) Δνg<0 高壓 在設備條件允許的前提下，盡量采取高壓 Δνg>0 低壓 兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強 五、合成氨的工業(yè)流程 『特別提醒』在制備原料時，要注意反應的可行性，同時要注意反應的速率和限度。 六、氮的固定 將空氣中游離態(tài)的氮轉化為氮的混合物的過程叫氮的固定，主要的固氮方法： 1.生物固氮 一種主要的自然固氮反應。如豆科植物在根瘤菌作用下直接吸收空氣中的N2轉化為氨等，進一步合成蛋白質。 2.自然固氮 如閃電產(chǎn)生的巨大電壓，其電火花足可以破壞氮氣分子的叁鍵，促使其與氧氣反應生成NO，進而生成NO2和HNO3等。 3.化學固氮 如合成氨反應、放電條件下使氮氣與氧氣反應生成NO等。 4.人工模擬生物固氮 通過化學方法，制備出類似生物“固氮菌”的物質，使空氣中的氮氣在常溫常壓下與水及二氧化碳等反應，轉化為硝態(tài)氮或銨態(tài)氮，進而實現(xiàn)人工合成大量的蛋白質等，最終實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)蛋白質食品。 『特別提醒』判斷某過程是否為氮的固定時，可以通過看反應物中是否有N2分子，生成物中是否有氮的化合物，都符合的屬于氮的固定。 七、檢測題 1. 對于可逆反應N2(氣)＋3H2(氣)2NH3(氣)　ΔH<0，下列說法正確的是（ ） A．達到平衡時反應物和生成物濃度一定相等 B．達到平衡后加入氨氣，重新達到平衡時，氨氣的濃度比原平衡時大 C．達到平衡時，升高溫度加快了吸熱反應的速率，降低了放熱反應的速率，所以平衡向逆反應的方向移動 D．加入催化劑可以縮短到達平衡的時間，這是因為加快了正反應的速率，而減慢了逆反應的速率 2. 在合成氨時，既要使氨的產(chǎn)率增大，又要使化學反應速率增大，可以采取的措施有（　?。? ①增大體積使壓強減小?、跍p小體積使壓強增大　③升高溫度?、芙档蜏囟取、莺銣睾闳荩俪淙氲攘康腘2和H2?、藓銣睾銐海俪淙氲攘康腘2和H2?、呒皶r分離產(chǎn)生的NH3?、嗍褂煤线m的催化劑 A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．②③⑤⑧ 3. 工業(yè)合成氨的正反應是放熱反應，下列關于N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)反應的圖像中，錯誤的是（　　） 4. 采用循環(huán)操作可提高原料的利用率，下列工業(yè)生產(chǎn)中，沒有采用循環(huán)操作的是(　　) A．硫酸工業(yè)　　　　　　　 B．合成氨工業(yè) C．硝酸工業(yè) D．氯堿工業(yè) 5. 已知合成氨反應的正反應是氣體體積減小的放熱反應，合成氨工業(yè)的工藝流程如下： 下列關于合成氨工業(yè)的說法中不正確的是（　?。? A．混合氣進行循環(huán)利用遵循綠色化學思想 B．合成氨反應需在低溫下進行 C．對原料氣進行壓縮是為了增大原料氣的轉化率 D．原料氣之一的氫氣可由天然氣和水反應制得 6. 下列化工生產(chǎn)中所發(fā)生的主要化學反應，不涉及氧化還原反應的是（ ） A．氯堿工業(yè)　　B．接觸法制硫酸 C．制造普通玻璃 D．工業(yè)合成氨 參考答案 1. 【解析】往往錯選C、D，原因：對升高溫度可以使平衡向吸熱反應方向移動的原因認識不清；對使用催化劑可縮短到達平衡所用時間的原因認識不清；正確選項為B。 【答案】B 2. 【解析】①減小壓強，產(chǎn)率降低，速率變慢，所以②正確；③升溫平衡左移，④降溫速率變慢，所以③④錯；⑤相當于加壓，正確，⑥錯；⑦反應速率變慢；⑧對平衡無影響。 【答案】C 3. 【解析】合成氨的正反應是放熱反應，升溫，正、逆反應速率都增大，但逆反應增大的程度大，A正確；在T1時NH3%最大，達到平衡，再升高溫度，平衡逆向移動，NH3%減小，B正確；低溫下達到平衡，NH3的含量大，C錯誤；增大壓強，平衡向右移動，NH3%增大，D正確。 【答案】C 4. 【解析】硫酸工業(yè)，循環(huán)操作提高二氧化硫利用率；合成氨工業(yè)，循環(huán)操作提高氮氣和氫氣利用率；硝酸工業(yè)，循環(huán)操作提高氨的轉化率；氯堿工業(yè)，電解飽和氯化鈉溶液，沒有循環(huán)操作。 【答案】D 5. 【解析】合成氨反應雖是放熱反應，但是溫度低時，反應速率太慢，適宜溫度需在500℃左右，且該溫度下催化劑的活性最大。 【答案】B 6. 【解析】各選項涉及的主要反應為：A項，2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑；B項，4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2,2SO2＋O22SO3，SO3＋H2O===H2SO4；C項，SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；D項，N2＋3H2高溫、高壓 催化劑 2NH3。 【答案】C