化学反应条件的优化——工业合成氨教案.doc

第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨学习目标知识与技能：、能够运用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；、通过阅读教材，小组讨论、交流，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；、通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。过程与方法：通过对数据资料的分析和处理，培养获取和处理信息的能力以及分析推理能力。情感态度与价值观：通过认识化学反应原理在工业生产中的重要作用，提升学生对化学反应价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。教学重难点：运用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。课型：新授课课时安排：课时教学过程：【引入】由两组照片引出1918年诺贝尔化学奖得主哈伯和合成氨反应，从而引出课题。【板书】第四节化学反应条件的优化工业合成氨【教师】今天这节课我们就沿着科学家的足迹来体验工业合成氨条件的优化选择。【问题】假如你是一个化工厂的老板，对工业生产你主要考虑哪些问题？【学生】经济效益和社会效益。 增大化学反应限度，增大化学反应速率 ，另外还要考虑生产中的消耗能源、原料来源、设备条件、环境保护等因素。【教师】从理论和实际分析如何提高综合经济效益。【交流研讨】 合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时: H= -92.2KJmol1 ， S = -198.2JK1mol1请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？【学生】能自发进行 。【提问】观察合成氨的化学反应，说明合成反应的特点：【投影】N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol(1体积) (3体积) (2体积)【学生】可逆反应 熵减小的反应 正反应气态物质系数减小 正反应是放热反应一、合成氨反应的限度【交流研讨】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。【投影】NH3%0.60.50.40.30.20.11：1 1：2 1：3 1：4 1：5 1：6n(N2):n(H2)【学生回答】 降低 温度、 增大 压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为 1：3 时平衡混合物中氨的含量最高。【板书】二、合成氨反应的速率【交流研讨】 1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为: =C(N2)C1. 5(H2)C1(NH3) ， 请你根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：条件 E /KJ/molk(催)/k(无)无催化剂3353.41012(700k)使用Fe催化剂167【学生回答】1.升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂2.增大N2、H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去3.使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。【板书】三、合成氨的适宜条件【投影】合成氨的适宜条件的选择外界条件使NH3生产得快使NH3产率高速率分析平衡分析压强高压高压温度高温低温催化剂使用无影响反应物的浓度增大浓度增大浓度生成物氨的浓度减小浓度减小浓度【交流研讨】研讨的内容研讨的问题研讨的结果1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？压强怎么确定？2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好温度怎么选择？3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？要不要用催化剂？【分析】1、压强怎么选？合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。 但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。【结论】综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。【分析】2、温度怎么选择？因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。 可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。催化剂要在一定温度下催化活性最大。【结论】综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。【分析】3、用不用催化剂？经济效益和社会效益要求化学反应速度要快， 原料的利用率要高，单位时间的产量要高。【结论】实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。【分析】4、浓度怎么定？ N2和H2的比例怎么定？增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。【结论】实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。【投影】研讨的结果外部条件工业合成氨的适宜条件压强根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强温度700K左右催化剂铁触媒浓度N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去, 未转化的N2和H2进行循环利用。【小结】【教师小结】工业上利用某可逆反应生产产品： 1、一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 2、选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度； 3、选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。【教师】我国合成氨工业的发展情况： 解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂； 1949年全国氮肥产量仅0.6万吨； 2013年达到五千七百多万吨，成为世界上产量最高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家。【投影】合成氨的工业前景1、催化剂2、化学模拟生物固氮现在，世界上好多国家（包括我国）的科学家，都在研究模拟生物固氮，即寻找人工制造的有固氮活性的化合物。 3、超声波固氮：【迁移应用】在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)O2(g) 2SO3 (g)H198 kJ mol1。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%) (1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是_。 (2)实际生产中，选定400500 作为操作温度，其原因是_。 (3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是_。 (4)在生产中，通入过量空气的目的是_。 (5)尾气中有SO2必须回收是为了_。 【作