2019-2020年高中化學(xué)(大綱版)第二冊(cè) 第二章 化學(xué)平衡 第四節(jié)合成氨條件的選擇(第一課時(shí)).doc
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2019-2020年高中化學(xué)(大綱版)第二冊(cè) 第二章 化學(xué)平衡 第四節(jié)合成氨條件的選擇(第一課時(shí)) 從容說(shuō)課 合成氨工業(yè)對(duì)化學(xué)工業(yè)和我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。本節(jié)內(nèi)容體現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)速率和平衡移動(dòng)原理等理論對(duì)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用。能夠培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)。通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí),也可進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論的理解。從內(nèi)容上分,本節(jié)共介紹了兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)。其一主要是通過(guò)討論引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理等知識(shí),綜合考慮合成氨生產(chǎn)中動(dòng)力、設(shè)備、材料等的實(shí)際情況,合理地選擇合成氨的生產(chǎn)條件;其二是拓寬思路,探討合成氨的發(fā)展前景。當(dāng)然,前者是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 在教學(xué)中,針對(duì)合成氨反應(yīng)是一個(gè)放熱的、氣體總體積縮小的可逆反應(yīng),首先要求學(xué)生運(yùn)用已學(xué)過(guò)的知識(shí),討論增大合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率所應(yīng)采取的措施。在此基礎(chǔ)上,再要求學(xué)生根據(jù)提供的有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),討論提高平衡混合物中NH3的含量所應(yīng)采取的方法。然后,結(jié)合合成氨生產(chǎn)中動(dòng)力、材料、設(shè)備、催化劑活性等實(shí)際情況,通過(guò)具體分析,得出合成氨時(shí)壓強(qiáng)、溫度、催化劑等的最佳條件。此外,應(yīng)通過(guò)合成氦生產(chǎn)過(guò)程示意圖、濃度等條件對(duì)合成氨的影響,原料的循環(huán)使用等問(wèn)題,使學(xué)生理解合成氨條件的選擇應(yīng)以提高經(jīng)濟(jì)效益為目的。 本節(jié)第二部分內(nèi)容的教學(xué),其目的不在于知識(shí)本身,而是更多地側(cè)重了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科學(xué)方法的訓(xùn)練,教學(xué)過(guò)程中應(yīng)適度把握。 ●教學(xué)目標(biāo) 1. 使學(xué)生理解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理,選擇合成氨的適宜條件。 2. 使學(xué)生了解應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。 3. 通過(guò)運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理選擇合成氨的適宜條件,培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力以及對(duì)所學(xué)理論的應(yīng)用能力。 4. 通過(guò)對(duì)合成氨工業(yè)未來(lái)的展望,激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)祖國(guó)、刻苦學(xué)習(xí)的激情。 ●教學(xué)重點(diǎn) 應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理選擇合成氨的適宜條件 ●教學(xué)難點(diǎn) 使學(xué)生理解如何用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理選擇合成氨的適宜條件 ●課時(shí)安排 一課時(shí) ●教學(xué)方法 1. 通過(guò)復(fù)習(xí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)的有關(guān)知識(shí),啟發(fā)學(xué)生得出應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和依據(jù),并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,討論得出合成氨的適宜條件。 2. 通過(guò)觀看合成氨的錄像,使學(xué)生了解濃度對(duì)合成氨的影響及原料氣的循環(huán)使用等問(wèn)題。 3. 通過(guò)閱讀和討論,使學(xué)生明確化工生產(chǎn)條件并非一成不變,激勵(lì)學(xué)生為選擇更好的合成氨條件而努力學(xué)習(xí)。 ●教具準(zhǔn)備 合成氨錄像帶、合成塔模型、投影儀、膠片 ●教學(xué)過(guò)程 [復(fù)習(xí)提問(wèn)] 1. 影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有哪些? [生]濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑等。 2. 要使一個(gè)化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng),可改變哪些條件? [生]濃度、溫度,有氣體的反應(yīng)可改變壓強(qiáng)。 [師]在化工生產(chǎn)上選擇生產(chǎn)條件,離不開(kāi)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的有關(guān)知識(shí),我們這節(jié)課就學(xué)習(xí)合成氨條件的選擇。 [板書(shū)]第四節(jié) 合成氨條件的選擇 [師]請(qǐng)大家寫(xiě)出合成氨的化學(xué)方程式。 [一個(gè)學(xué)生板演]N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) [師]請(qǐng)大家結(jié)合我們第一章所學(xué)知識(shí),說(shuō)出這個(gè)反應(yīng)有何特點(diǎn)? [生]學(xué)生甲:反應(yīng)物和生成物全為氣體。學(xué)生乙:是氣體體積縮小的可逆反應(yīng)。學(xué)生丙:正反應(yīng)是放熱反應(yīng)。 [教師提示]該反應(yīng)常溫常壓下容易進(jìn)行嗎?為什么? [生]N2分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,N≡N不易斷裂。 [討論]如果你是一個(gè)合成氨工廠的技術(shù)人員,為了提高經(jīng)濟(jì)效益,即提高氨氣的產(chǎn)量,你首先要考慮什么問(wèn)題? 結(jié)論:1. 如何加快反應(yīng)速率;2. 如何提高NH3在平衡混合氣中的含量。 [師]那么我們要快合成氨的反應(yīng)速率而且還要使平衡盡可能正向移動(dòng),可以采取哪些措施呢?請(qǐng)同學(xué)們討論以后填寫(xiě)下表。 [投影] 目的 選擇 條件 使NH3生產(chǎn)得快(從速率分析) 使NH3生產(chǎn)得多(從平衡分析) 壓強(qiáng) 溫度 催化劑 濃度 說(shuō)明:有條件的學(xué)校可把上表制成多媒體課件,學(xué)生討論后,邊回答,邊顯示出正確答案,最后得出如下結(jié)果: 目的 選擇 條件 使NH3生產(chǎn)得快(從速率分析) 使NH3生產(chǎn)得多(從平衡分析) 壓強(qiáng) 增大壓強(qiáng) 增大壓強(qiáng) 溫度 升高溫度 降低溫度 催化劑 使用催化劑 無(wú)影響 濃度 增大反應(yīng)物濃度 增大反應(yīng)物濃度減小生成物濃度 [師]下面我們就根據(jù)上表和化工生產(chǎn)的實(shí)際情況,來(lái)分析一下合成氨的適宜條件。 [板書(shū)]一、合成氨的條件選擇 1. 壓強(qiáng) [師]從上表可以看出,從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)分別來(lái)考慮,對(duì)壓強(qiáng)的要求是一致的,增大壓強(qiáng),既能加快反應(yīng)速率,縮短達(dá)到平衡的時(shí)間,又能提高氨氣在平衡混合氣中的含量,那么是不是壓強(qiáng)越大越好?一般采取多大壓強(qiáng)?請(qǐng)同學(xué)們打開(kāi)課本,閱讀P50。 [生]因?yàn)閴簭?qiáng)越大,需要的動(dòng)力越高,對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求也越高,這會(huì)大大增加投資,并可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。目前合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)是20 MPa~50 MPa。 [板書(shū)]20 MPa~50MPa [師]下面我們?cè)倏礈囟鹊倪x擇 [板書(shū)]2. 溫度 [師]從上表分析,高溫有利于加快反應(yīng)速率,但卻降低了平衡時(shí)氨氣在混合氣體中的含量,低溫可以提高氨氣在平衡混合氣中的含量,但反應(yīng)速率慢,需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡狀態(tài),這在化工生產(chǎn)上也是很不經(jīng)濟(jì)的。所以溫度不能太低,也不能太高,工業(yè)上一般在500℃左右的溫度下進(jìn)行。 [板書(shū)]500℃左右 [師]選擇500℃左右的溫度,還與另外一個(gè)因素有關(guān),那就是催化劑的使用。 [板書(shū)]3. 催化劑 [師]合適的催化劑能成萬(wàn)倍的增大化學(xué)反應(yīng)速率,縮短反應(yīng)達(dá)到平衡需要的時(shí)間,但催化劑的活性與溫度有關(guān),對(duì)于合成氨使用的催化劑,在500℃左右時(shí)活性最大,因此選擇500℃左右的溫度。 那么合成氨工業(yè)采用什么催化劑呢?1909年德國(guó)化工專家哈伯發(fā)現(xiàn)了鋨催化劑,但鋨是貴重金屬,以鋨為催化劑不利于合成氨的普及,后來(lái),德國(guó)化學(xué)家波施經(jīng)過(guò)兩萬(wàn)多次的實(shí)驗(yàn),終于得到了理想的以Fe為主體,含少量K、Mg、Al和Ca的多成分催化劑,一直使用到今天,工業(yè)上稱為鐵觸媒。 [板書(shū)]鐵觸媒——以鐵為主體的多成分催化劑。 [師]工業(yè)上在上述溫度、壓強(qiáng)和催化劑作用下,可使平衡混合氣中NH3的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到多大呢?請(qǐng)同學(xué)們打開(kāi)課本49頁(yè),看表2—5,看一下在500℃、20 MPa~50 MPa時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)大約為多少? [生]26.4%左右。 [師]顯然,NH3的產(chǎn)率并不太高,那么還需要采取什么措施來(lái)提高NH3的產(chǎn)率呢? [生]改變濃度。 [師]對(duì),從前邊的分析可知,增大反應(yīng)物的濃度或減小生成物的濃度,均可使化學(xué)平衡正向移動(dòng),那么工業(yè)上是如何增大反應(yīng)物濃度減小生成物濃度的呢?下面請(qǐng)大家注意看合成氨的錄像,注意看工業(yè)上為提高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率,在濃度方面采取了什么措施?合成氨的反應(yīng)在什么設(shè)備中進(jìn)行的,這個(gè)設(shè)備有何特點(diǎn)?氣體在其中是如何流動(dòng)的? (放錄像) [師]從錄像中看出,為提高原料的利用率,在生產(chǎn)過(guò)程中還采取了哪些措施? [生]把NH3液化分離出去,N2、H2混合氣體循環(huán)使用,及時(shí)補(bǔ)充N(xiāo)2和H2。 [板書(shū)]4. 濃度:分離出NH3后的N2、H2循環(huán)使用,并及時(shí)補(bǔ)充原料氣。 [問(wèn)]大家注意到補(bǔ)充原料氣時(shí)N2和H2的比例了嗎? [生]1∶3。 [師]對(duì),N2和H2開(kāi)始以1∶3的體積比進(jìn)入合成塔,分離出來(lái)的氣體中N2和H2仍為 1∶3,再以1∶3的體積比補(bǔ)充原料氣,就可以使反應(yīng)物始終保持一定的濃度,避免了不斷調(diào)整反應(yīng)物配比的麻煩。 那么,從平衡混合氣中分離出NH3,利用了氨氣的什么性質(zhì)呢? [生]易液化。 [師]合成氨是在什么設(shè)備中進(jìn)行的? [生]合成塔。 [展示]合成塔模型 [師]請(qǐng)大家結(jié)合剛才的錄像,說(shuō)一說(shuō)合成塔結(jié)構(gòu)上有什么特點(diǎn)? [生]①有耐高壓的厚壁;②安放有厚層的催化劑;③有熱交換器。 [師]由于合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng),通過(guò)熱交換器,可以預(yù)熱氮、氫混合氣體,使熱量得到充分利用,那么這樣的設(shè)備是不是最好的設(shè)備呢?將來(lái)還有可能有更好的設(shè)備嗎?請(qǐng)同學(xué)們閱讀課本——合成氨工業(yè)的發(fā)展前景。 [板書(shū)]二、合成氨工業(yè)的發(fā)展前景 [師]看完后請(qǐng)同學(xué)們討論一下,如果你是一位工程師,你想采取什么辦法來(lái)進(jìn)一步提高氨產(chǎn)量?或降低合成氨的成本? [生]①研制新的能承受高壓的材料。②研制新的能產(chǎn)生高壓的設(shè)備。③研制合成新的催化劑。 [師]合成氨條件的選擇是與科學(xué)進(jìn)步、動(dòng)力、材料、設(shè)備等條件的改善緊密聯(lián)系的,隨著科技的發(fā)展,我國(guó)合成氨工業(yè)已有迅速發(fā)展,1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬(wàn)噸,而1982年達(dá)到1021.9萬(wàn)噸,成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。目前一些科學(xué)家正努力研制新的催化劑,試圖使合成氨的反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行。那么,如果新的催化劑研制成功,會(huì)不會(huì)減緩合成氨生產(chǎn)中對(duì)壓強(qiáng)的要求而減少設(shè)備制造的投資呢? [學(xué)生討論后可能得出以下兩種結(jié)論]一、不會(huì)。因?yàn)榇呋瘎┲荒芗涌旆磻?yīng)速率而不能引起平衡移動(dòng),而增大壓強(qiáng)是為了使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng),以增大NH3的產(chǎn)量。二、會(huì),因?yàn)樾麓呋瘎┛梢允狗磻?yīng)在較低溫度下就有很大的反應(yīng)速率,這樣降低了反應(yīng)所需溫度,低溫有利于平衡正向移動(dòng),增大NH3的產(chǎn)量,這樣就可以減緩生產(chǎn)中對(duì)壓強(qiáng)的要求而減少設(shè)備制造的投資。 [教師總結(jié)]同學(xué)們說(shuō)得都有道理,增大壓強(qiáng)和降低溫度都有利于提高NH3的產(chǎn)量,并不矛盾,所以若能研制出新的催化劑,降低反應(yīng)所需溫度,又能研制出能承受高壓且廉價(jià)的新材料,豈不更好?希望同學(xué)們好好學(xué)習(xí),為我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展更上一個(gè)新臺(tái)階做出貢獻(xiàn)。 下面請(qǐng)同學(xué)們回憶一下合成氨化工生產(chǎn)條件的選擇依據(jù),回答下列問(wèn)題: [投影]在制硫酸的工業(yè)生產(chǎn)中,有以下反應(yīng):2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng)),反應(yīng)溫度為450℃,使用V2O5為催化劑。在此條件下,如果壓強(qiáng)為0.1 MPa,SO2的轉(zhuǎn)化率為97.5%;壓強(qiáng)為10 MPa,SO2轉(zhuǎn)化率為99.3%,回答: (1)工業(yè)生產(chǎn)中選擇450℃左右的溫度,原因是什么? (2)增大壓強(qiáng)時(shí)合成SO3是否有利?在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)如何選擇壓強(qiáng)?為什么? (3)生產(chǎn)中要用過(guò)量的空氣,為什么? [答案](1)為了加快反應(yīng)速率且使催化劑活性最強(qiáng),所以選擇450℃。 (2)有利。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)采取常壓,因常壓下反應(yīng)物已有很高轉(zhuǎn)化率,增大壓強(qiáng)雖然可提高SO2轉(zhuǎn)化率,但對(duì)設(shè)備要求也高,得不償失。 (3)用過(guò)量的空氣,可增大反應(yīng)物中O2的濃度,從而加快反應(yīng)速率,并提高SO2的轉(zhuǎn)化率。 [布置作業(yè)]P50一、二、三、四、五 ●板書(shū)設(shè)計(jì) 第四節(jié) 合成氨條件的選擇 一、合成氨的條件選擇 1. 壓強(qiáng):20 MPa~50 MPa 2. 溫度:500℃左右 3. 催化劑:鐵觸媒——以鐵為主體的多成分催化劑。 二、合成氨工業(yè)的發(fā)展前景 ●教學(xué)說(shuō)明 應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件是本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容,因此在本節(jié)的教學(xué)中我通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析合成氨的反應(yīng)特點(diǎn),啟發(fā)學(xué)生從加快反應(yīng)速率和促進(jìn)平衡正向移動(dòng)來(lái)討論生產(chǎn)條件,以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解,并提高其應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在教學(xué)中,通過(guò)放錄像和觀看合成塔模型,使學(xué)生對(duì)合成氨的生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備有所了解,并增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,然后從合成氨的設(shè)備引出合成氨的前景討論,在活躍的課堂氣氛中,使學(xué)生輕松地掌握本節(jié)的知識(shí)。 [參考練習(xí)] 1.工業(yè)上合成氨時(shí)一般采用500℃左右的溫度,其原因是( ) A.適當(dāng)提高NH3的合成速率 B.提高H2的轉(zhuǎn)化率 C.提高NH3的產(chǎn)率 D.催化劑在500℃左右活性最大 答案:AD 2.對(duì)于合成氨的反應(yīng)來(lái)說(shuō),使用催化劑和施以高壓,下列敘述中正確的是( ) A.都能提高反應(yīng)速率,都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)無(wú)影響 B.都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響,都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間 C.都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間,只有壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響 D.催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間,而壓強(qiáng)無(wú)此作用 答案:C 3.在一定條件下,合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡后,混合氣體中NH3的體積占25%,若反應(yīng)前后 條件保持不變,則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積的比值是( ) A.1/5 B.1/4 C.1/3 D.1/2 答案:A- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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