山东省滕州市高中化学 第2章 第3节 反应条件优化－合成氨教案 鲁科版选修4.doc

第二单元 化学反应的方向、限度与速率第3节 化学反应条件的优化工业合成氨教学模式问题探究式教学教学目标.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，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。教学重难点应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。内容分析在化学反应的方向、限度、速率等理论为指导的基础上带领学生选择适宜的反应条件，引导学生考虑合成氨生产中动力、设备、材料生产效率等因素，寻找工业合成氨生产的最佳条件。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。环节 教师活动 学生活动设计意图考点解读本节在高考中考点:考点一：合成氨最佳条件的分析与选择考点二：工业合成氨的研究方向考点三：工业合成氨的有关计算考点四：依据影响化学反应速率和限度的因素，依据化学方程式以及图像分析化学反应速率和限度。选择化工生产中合适的温度、压强、催化剂等。近几年高考题热点是以图表结合考查化学反应速率和化学平衡的有关知识和化工生产中合适条件的选择。阅读考点解读并回顾有关知识。明确高考考点。考点一考点一：合成氨最佳条件的分析与选择引入我们已经学习了化学反应的方向、限度、速率，在实际的工业生产中我们要考虑哪些问题？学生回答后放映课件展示让学生明确工业生产中需要综合考虑知识梳理问题探究11.化学反应能自发进行的依据？2.合成氨的有关信息如下:n2(g)+3h2(g)2nh3(g) 已知298k时: h= -92.2kjmol1 ， s = -198.2jk1mol1则合成氨反应的特点:(1)该反应为 反应；(2) 所有的反应物和生成物都是气态，且气体的物质的量 的熵 的反应；(3)该反应的正反应为 反应。（4）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？问题探究21.影响化学反应速率的因素有哪些？可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？2.影响化学平衡的因素有哪些？可以通过控制哪些条件来使化学平衡向合成氨的方向移动？外界条件使nh3生产得快使反应向生成nh3方向速率分析平衡分析压强温度催化剂反应物的浓度生成物氨的浓度问题探究3综合考虑，合成氨最佳条件如何选择？1、压强怎么选？【分析后结论】综合考虑，根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。工业上采用的压强一般为1107 pa1108 pa。2、温度怎么选择？【分析后结论】综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700k左右（催化剂在这个温度活性最高）。3、用不用催化剂？【分析后结论】实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒）。使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。4、浓度怎么定？ 【分析后结论】将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度，工业上通常采用12.8的比例投料，及时将气态氨冷却液化分离出去促使平衡正向移动学生思考回答,回答要点如下:问题探究11. h-ts02.(1)可逆反应 (2)气体的物质的量减小的熵减小的反应 (3)正反应是放热反应（4）学生计算后回答298k下合成氨反应h-ts0，能自发进行。学生思考回答 问题探究2学生思考回答,回答要点如下:高压 高压高温 低温使用 无影响 增大浓度 增大浓度减小浓度 减小浓度(据速率方程vkc (n2)c1.5(h2)c1(nh3)学生思考回答,回答要点如下: 问题探究31.增大压强，有利于提高反应速率，也有利于提高平衡混合物中氨的含量。但压强越大，对设备的要求高、压缩h2和n2所需要的动力大，生产成本也越高。2.升高温度有利于提高反应速率，但不利于提高平衡混合物中氨的含量。催化剂要在一定温度下催化活性最大。3.催化剂不影响化学平衡，但能极大的加快反应速率， 单位时间的产量要高。工业上一般采用铁触媒作为合成氨的催化剂。4.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。通过3个问题探究，梳理合成氨应考虑的问题，从而选择出合成氨的适宜条件。归纳总结【投影】研讨的结果通过知识梳理,归纳总结, 让学生明确选择适宜的反应条件，应综合考虑限度、速率、动力、设备、材料、生产效率等因素。考点一例题精选【例1】下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是()a使用铁催化剂，有利于合成氨b高压比常压条件更有利于合成氨的反应c700 k左右比室温更有利于合成氨的反应d合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率。答案b学生思考回答,回答要点如下:【例1】催化剂不影响平衡移动；合成氨采用700 k是综合考虑反应速率和转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。通过例1，更加明确合成氨最佳条件的选择依据。考点一练习1在n2(g)3h2(g) 2nh3(g)h0的平衡体系中，当分离出nh3时，下列说法正确的是()。a改变条件后速率时间图像如图b此过程中qkc平衡体系中nh3的含量增大dn2的转化率增大答案d2工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：n2(g)3h2(g) 2nh3(g)h92.44 kjmol1，其部分工艺流程如下图所示：反应体系中各组分的部分性质见下表：气体氮气氢气氨熔点/210.01252.7777.74沸点/195.79259.2333.42回答下列问题：(1)写出该反应的化学平衡常数表达式：k_，随着温度升高，k值_(填“增大”、“减小”或“不变”)。(2)k值越大，表明_(填字母)。a其他条件相同时，n2的转化率越高b其他条件相同时，nh3的产率越大c原料中n2的含量越高d化学反应速率越快(3)在工业上采取气体循环的流程，即反应后通过把混合气体的温度降低到_使_分离出来；继续循环的气体是_。答案(1)减小(2)ab(3)33.42 氨 n2和h2学生思考回答,回答要点如下:1.分离出nh3，使平衡向正反应方向移动，故v(正)v(逆)，a项不正确；此状态下应是qk，b项不正确；由于分离出nh3，使体系中nh3的含量减小，c项不正确。2.(1)由化学方程式n2(g)3h2(g)2nh3(g)可写出：k，此反应h0，说明正反应为放热反应，升高温度，平衡向吸热的方向移动，即向左移动，nh3减小，n2和h2增大，故k减小。(2)k值越大，说明nh3越大，n2和h2就越小，反应进行的程度大，故其他条件相同时，n2的转化率越高，nh3的产率越大。(3)根据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其分离可使平衡正向移动，剩余n2和h2循环使用，以提高产率。巩固考点一考 考点二考点二：工业合成氨的研究方向【投影介绍】合成氨的工业前景：1、催化剂合成氨的铁催化剂 这一类合成氨催化剂以还原铁为催化剂主要活性成分，并掺加各种促进剂和载体的催化剂.促进剂：稀土金属及其氧化物关于稀土金属及其氧化物的作用，我国也进行了一些研究。国外也报 道了一些含钐、锆、钯、铑的催化剂研究结果，发现稀土金属及其氧化物是对氨合成非常有效的促进剂。我国有丰富的钛、锆、铌等稀有金属资源，因此， 以稀有金属氧化物为促进剂，有希望成为我国改进工业合成氨的铁催化剂的研究方向之一。 合成氨的钌催化剂合成氨熔铁型催化剂要在高温、高压和耗能高的苛刻条件下使用，且催化剂的活性并不是很高。而合成氨的钌催化剂可能是一种较好的催化剂。它在低温低压下活性很高，常压下比合成氨的铁催化剂的活性高1020倍，且对水、co和co2不敏感，但合成氨的钌催化剂在高压下未必比合成氨的铁催化剂来得优越。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。固氮酶由两种蛋白质组成。一种蛋白质（二氮酶）的分子量约22万，含有两个钼原子、32个铁原子和32个活性硫原子；另一种蛋白质（二氮还原酶）是由两个分子量为29000的相同亚基构成的，每个亚基含有4个铁原子和4个硫原子。已经发现一些金属有机化合物有可能作为可溶性的固氮催化剂。 3.超声波固氮：氮气在通常状态下十分稳定，一般难以发生化学反应，但在超声波作用下，可以使氮分子中的化学键削弱，从而在较温和的条件下就可以发生化学反应。在室温下用超声波辐射溶有空气的饱和水溶液后，可以测到处理过的水中含有亚硝酸、硝酸等；如果处理溶有氮气、氢气和一氧化碳的饱和水溶液，可以测到甲醛、氢氰酸和咪唑等物质，这些实验对人工固氮的研究提供了一条新的途径。 学生阅读了解让学生了解我们工业合成氨还有许多缺点，明确以后的发展前景。考点二例题精选【例2】合成氨反应达到平衡时nh3的体积分数与温度、压强的关系如右图所示，根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是()。a提高分离技术b研制耐高温的合成塔c研制低温催化剂d探索不用n2和h2合成氨的新途径答案：c学生思考回答,回答要点如下:【例2】由图可知：nh3%随着温度的升高而显著下降，故要提高nh3%，必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒活性最高时的温度为500 ，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。通过例2，更加明确合成氨以后的发展前景。考点二练习1. 科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，n2在催化剂(掺有少量fe2o3的tio2)表面与水发生反应，生成的主要产物为nh3。进一步研究nh3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、n2压强1.0105pa、反应时间3 h)：t/k303313323353nh3生成量/(106mol)4.85.96.02.0回答下列问题：(1)请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大nh3生成量的建议：_.学生思考回答,回答要点如下:1.(1)催化剂能降低反应的活化能，改变反应的历程，使一个高能变过程变为几个能量相对低的过程，使反应易发生。(2)加快反应速率且增大nh3生成量的方法是升温、增大n2浓度、不断移出生成物。巩固考点二三考点三考点三：工业合成氨的有关计算【例3】将a l nh3通过灼热的装有铁触媒的硬质玻璃管后，气体体积变为b l(气体体积均在同温同压下测定)。该b l气体中nh3的体积分数是()。a. b. c. d.答案c学生思考回答,回答要点如下:【例3】分解的氨的体积：(ba)l，则剩余氨的体积：a l(ba) l(2ab) l，该b l气体中nh3的体积分数是。让学生进一步熟悉化学速率和平衡的有关计算2考点三练习1合成氨技术的发明使人工固氮工业化成为现实， (1)实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系为：vkc (n2)c1.5(h2)c1(nh3)。请分析当反应达到一定转化率时，将氨从混合气中分离出去的作用是_。(2)合成氨的整个工业生产包括造气、净化、合成氨三大部分。co(g)h2o(g) co2(g)h2(g)是造气过程中的一个重要反应，该反应h0，在850 时，该反应的平衡常数k1。现向一个容积可变的密闭容器中充入1.0 mol co,3.0 mol h2o,1.0 mol co2和x mol h2，下列有关说法不正确的是_(填字母)。a900 时，k1b850 时，若x5.0，则起始时平衡向逆反应方向移动c向该体系中通入任何气体，平衡都不发生移动d850 时，已知x3，则随着x的增大，h2的转化率一定始终增大答案(1)提高反应速率，增大反应物的转化率 (2)cd学生思考回答,回答要点如下: (1)v与c(n2)、c1.5(h2)成正比，与c(nh3)成反比，达平衡后，分离出氨有利于提高反应速率，增大反应物的转化率。(2)由于co(g)h2o(g) co2(g)h2(g)h0升温平衡向逆向移动，k1，a正确；当t850 ，x5.0时，q1，qk，平衡向逆反应方向移动，b正确。恒t、p通入“惰气”不影响平衡，但通入h2o(g)时有利于提高co转化率，向正反应方向移动，c错误；增大一种反应物浓度，另一种反应物转化率一般会变大，它本身的转化率减小，d错误。巩固考点三点 考点四考点四: 工业生产选择适宜生产条件的思路【例4】工业制造硫酸的主要反应之一为:2so2(g) + o2(g) = 2so3(g) 反应的平衡常数k随温度升高而减小.其实验数据见表请根据以上信息讨论应如何选择二氧化硫氧化反应的工艺条件温度 、压强、原料气配比等?学生思考回答,回答要点如下:【例4】（1）选择450,升高温度虽然会使反应速率加快，但是通过上表分析得出so2转化率下降较多，（2）选择1.01105pa因为在常压下，so2的转化率已经很高了，若再加压，对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，得不偿失,故采用常压。(3)增大氧气的浓度，相当于增大了反应物的浓度，使平衡向生成so3的方向移动，提高二氧化硫的转化率。让学生在合成氨条件选择的基础上，明确工业生产选择适宜生产条件的思路。巩固练习1在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：n2(g)3h2(g) 2nh3(g)，并分别在不同的时间内测定其中nh3的质量分数(y轴所表示的)，绘成图像如图所示，请回答：(1)a、b、c、d、e五点中，肯定未达平衡的点是_。(2)此可逆反应的正反应是_热反应。(3)ac曲线是增函数曲线，ce曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由_。2乙酸蒸气能形成二聚分子：2ch3cooh(g) (ch3cooh)2(g)h0。现欲测定乙酸的相对分子质量，应采用的条件为()。a高温、低压 b低温、高压 c低温、低压 d高温、高压3合成氨的温度和压强通常控制在约700 k以及21075107pa的范围，且进入合成塔的n2和h2的体积比为12.8，经科学实验测定，在相应条件下n2和h2反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示，2107pa6107pa700 k19.142.2而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明()。a表中所测数据有明显误差b生产条件控制不当c氨的分解速率大于预测值d合成塔中的反应并未达到平衡学生分析后回答,回答要点如下:1.(1)从图像中看出c点时，nh3的质量