4、化学反应条件的优化——工业合成氨

教学设计教学设计 2 42 4 化学反应条件的优化化学反应条件的优化 工业合成氨工业合成氨 教学目标教学目标 知识与技能知识与技能 1 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 2 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 3 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 过程与方法过程与方法 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 情感 态度与价值观情感 态度与价值观 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的价值 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 教学过程教学过程 教师 承上启下 导入新课 PPT 展示弗里茨 哈伯的图像及其有关内容 学生 阅读课本 P65 页 联想 质疑 交流 研讨 P65 1 合成氨反应是一个可逆反应 N2 g 3H2 g 2NH3 g 已知 298K 时 H 92 2KJ mol 1 S 198 2J K 1 mol 1 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 H T S 92 2 298 198 2 10 3 33 14 KJ mol 1 0 常温下 此反应能自发进行 提问 观察合成氨的化学反应 说明合成反应的特点 PPT 展示 N2 g 3H2 g 2NH3 g H 92 2kJ mol 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 板书 第四节 化学反应条件的优化 工业合成氨 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 P65 PPT 展示 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 P66 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 NH3 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 n N2 n H2 C N2 C1 5 H2 C 1 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 催化剂对合成氨反应速率的影响 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 PPT 合成氨的适宜条件的选择 使 NH3生产得快使 NH3生产得多 外界条件 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构 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 压强怎么定 条件 E KJ mol k 催 k 无 无催化剂 335 使用 Fe 催化剂 167 3 4 1012 700k 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 一般为 2 107 Pa 5 107 Pa 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 PPT 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 一般为 2 107 Pa 5 107 Pa 温度适宜温度 700K 左右 催化剂使用铁触媒作催化剂 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 板书 合成氨的方程式 注意条件 N2 g 3H2 g 2NH3 g 高温 高压 催化剂 小结 理论依据 1 化学反应的方向 指导 实际生产 2 化学反应的限度 3 化学反应的速度 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 PPT 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 2000 年达到 3363 7 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 当堂检测当堂检测 1 工业合成氨反应是 700 K 左右进行的 这主要原因是 A 700 K 时氨的平衡浓度最大 B 700 K 时此反应速率最快 C 700 K 时氨的转化率最高 D 700 K 该反应的催化剂能发挥最大的作用 2 在合成氨工业中 下列操作使平衡向右移动的是 A 不断将 NH3分离出来 B 使用催化剂 C 采用 700K 左右的高温 D 采用 2 107 5 107Pa 的压强 3 氨的合成反应 生产中采用的适宜条件是 A 低温 高压 适当的催化剂 B 高温 常压 C 尽可能高温 高压 D 适当的温度 适当的高压 适宜催化剂 4 有关合成氨工业的说法中 正确的是 A 从合成塔出来的混合气体 其中 NH3只占约 13 14 所以生产氨的工厂效率都很 低 B 由于氨易液化 N2 H2在实际生产中是循环使用 所以总体来说氨的产率很高 C 合成氨工业的反应温度控制在 700K 左右 目的是使化学平衡向正反应方向移动 D 合成氨厂采用的压强是 20 50 MPa 因为该压强下铁触媒的活性最大 5 已知 2SO2 g O2 g 2SO3 g H 0 催化剂 V2O5在 400 500 时催化效果最好 1 应选用的温度是 2 应采用的压强是 理由是 作业作业 迁移应用迁移应用 P70 P70 2 2 P71P71 4 4 板书设计板书