高中化学-第4节 化学反应条件的优化-工业合成氨教学设计学情分析教材分析课后反思

【教学目标】知识与技能：应用化学反应速率和化学平衡原理，学会理论联系实际选择合成氨生产的适宜条件。过程与方法：通过理论联系实际的过程，认识化学反应原理在化工生产中的重要作用。通过体验合成氨条件的选择和优化的过程，培养分析推理能力。初步掌握工艺流程问题的分析方法情感态度与价值观：感悟化学原理对生产实践的指导作用，并懂得一定的辩证思维和逻辑思维通过体检发现矛盾、解决矛盾的过程，激发探索科学的学习热情。【重点和难点】合成氨适宜条件的选择化学反应原理应用与生产实际综合因素的分析。教师活动学生活动设计意图【情景引入】氮是组成植物叶绿素和动物蛋白的主要成分，是生命体不可或缺的元素。然而自然界中98%的氮元素以游离态分散在空气中，遗憾的是大部分生物是不能直接利用大气中的氮元素，于是在19世纪英国物理学家克鲁克斯发出了“向空气中要氮肥”的号召。【投影并提问】“如果你是科学家，你会怎么做？”【过渡】既然不能直接利用单质氮，那就可以想办法把单质氮变成化合氮，想一想你学过哪些含氮化合物。【评价】评价学生回答【过渡】讲述合成氨发展史，引出本节课的课题“化学反应条件的优化-----工业合成氨”【投影】教学目标【合作探究一】实验室合成氨【讲述】N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起来很简单，起初哈伯和他的学生想在常温下进行合成氨，但是并没有得到氨气。【提问】这个反应在常温下可以发生吗？你可以运用所学知识找到答案么？【过渡】同学们根据所给的信息进行相关计算，完成学案中第一小题。【投影】反应方向：298K时，△H-T△S﹤0反应能自发进行【追问】那这个反应能进行到什么程度呢？有学者计算了在此温度下的K值是4.1×106(mol·L-1)-2，对于一个可逆反应来说这个数值太小了，就意味着生成的氨气太少了，而且实验证明反应太慢了，该如何更多更快的获得氨气呢？【过渡】请同学们根据所学的知识，以小组讨论的形式解决学案中的第二和第三小题并进行汇报交流，并总结有利于合成氨的反应条件。【投影】展示学生答案【提问】对比合成氨的有利条件中哪些是一致的，哪些是矛盾的，怎样解决？【讲述】哈伯是如何解决这些问题的呢？请大家阅读【历史回眸】感受一下他的探索史。【投影】【历史回眸】【讲述】通过计算和实验摸索哈伯采用了600℃的温度，找到具有较高活性的金属锇作为催化剂，利用工业压缩机提供了2×107Pa的压强在实验室中成功合成了氨。【小结】综合同学们的分析和哈伯的科学成果，我们得到了实验室合成氨气的适宜条件【投影展示】实验室合成氨的适宜条件【过渡】哈伯的成果问世以后，很快被德国最大的化工公司买下，并委任博施担任工业合成氨的项目负责人，他又会遇到哪些困难呢？【合作探究二】从实验室走向工业生产【投影】展示3个资料1.锇是一种贵重金属，储量较少，开发成本高，粉末状的金属锇，常温下会逐渐氧化成四氧化锇。四氧化锇在48℃时熔化，在130℃时沸腾。锇蒸汽有剧毒，强烈刺激人眼黏膜，严重会造成失明。2.高温高压条件下，氢气会使钢脱碳，导致氢腐蚀，使钢的机械性能下降，氢气会渗透到钢材内部，使钢材出现裂纹。当氮气与氢气体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高，但是氮气在催化剂上吸附是反应中最难发生的步骤，是影响反应速率的关键因素。【提问】从资料中你获得了哪些信息？【过渡】通过分析，我们不难看出要想解决这些问题，就必须集中力量解决这三方面的问题。【任务】现在请大家结合资料以及课本，找出工业合成氨的适宜条件【投影】投影展示学生表格【交流研讨】1.为什么不尽可能使用更高的压强？2.为什么温度控制在700K左右？3.为什么氮气与氢气的物质的量比是1:2.8而不是1:3？【归纳总结】合成氨条件的选择与优化：依据反应限度和反应速率的综合分析得出实验室中合成氨的条件，而工业生产还需要从产品上，设备的综合指标等方面对反应条件进行优化。从合成氨的条件的选择和优化我们不难得出，在工业生产中条件的选择与优化的一般思路和方法是：反应条件的确定是反应速率与反应限度共同作用的结果。当反应条件相互矛盾时即不能只片面的追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而是应该寻找以较高反应速率获得适当平衡转化率的条件。此外，还要考虑原料的价格，未反应物质的循环使用，反应热的综合利用等。【合作探究三】合成氨的生产流程【提问】通过刚才的学习和分析，我们已经把握了工业合成氨的核心技术，在投入大规模生产时，我们还需要考虑哪些问题呢?我们将工业合成氨的复杂过程简化为工艺流程图，【投影】原料从哪里来？原料须经过哪些预处理？为什么？如何分离氨？【任务】请同学们结合所给信息以及课本69页的内容完成学案中的几个小题。【小结】真正的合成氨工艺流程远比我们分析的内容要复杂的多，我们只是节选了一部分来简单了解一下如何从原料到最终的产品，初步形成分析工艺流程的基本思路，这对我们将来的学习是十分有必要的。【迁移应用】指导学生独立完成学案中的练习题，并展示答案。聆听，了解氮元素对生命体的重要性，并感受从空气中利用生物可以利用的含氮化合物的重要性。思考回答：说出几种常见含N化合物，并指出哪些是可以直接与N2反应生成的聆听思考分析计算得出反应可以自发进行的结论交流、讨论，汇报思考需找合适的催化剂，如何获得适宜的温度？阅读资料，进一步完善实验室合成氨的适宜条件学生思考分析资料获得信息，明确思路，寻找突破口阅读分析填写学案中工业合成氨的适宜条件学生展示回答整理标准答案总结工业合成氨的适宜条件及基本分析方法阅读，讨论，作答学生完成迁移应用联系生活实际，激发学生的学习兴趣，让学生以主人公的身份参与其中。指导学生像科学家一样思考以元素为核心建立起一种工业合成新物质的认识框架。问题驱动引导学生对设计的反应用正确的方法去分析根据前三节课所学内容从三个角度分析合成氨反应的可行性，有利于合成氨的反应条件通过分析总结得出实验室合成氨的条件感受科学家探索精神体验科学探索的不易让学生感受实现工业合成氨中遇到的困难，引导学生分析条件的优化通过分析工业合成氨中遇到的问题，使学生感受实验室和工业生产的区别知识和方法的总结规范答题进一步巩固从理论到实践的方法感受从原料到产物的生产流程，初步形成分析工业流程的基本思路。巩固提升，学以致用【结语】从实验室走向工业生产，从原料走向产品，从来都不是一件容易的事情，本节课我们重点学习了工业合成氨条件优化的思路和方法，感受了科学在生产生活中的重要指导作用。【学情分析】学生已经认识到氮元素对生命体的重要性，并已经熟知了几种含氮化合物，并已熟悉几种常见含氮化合物的制备，但是尚不知是否可以投入大量工业生产，也不知道如何将化学实验转化为工业实践。因此在教学过程中，教师要注重从实验室走向工业生产的方法指导，让学生初步具备一定的技术思想。另外学生通过对前两节的学习，已经掌握了反应方向的判断，温度、浓度等外界条件对化学平衡的影响和影响化学反应速率的因素，具有了相应的知识基础。然而学生刚刚学完这部分内容感觉比较抽象，不容易理解，在学习过程中通过老师引导，循序渐进，在复习基础知识的基础上，讨论\o"合成氨"合成氨反应的特点，可以探讨出工业生产所需的合适\o"条件"条件，但对于如何处理从化学热力学角度实现高转化率所需的条件与从动力学角度实现高速率所需的条件的矛盾，以及实际生产中还要考虑成本、经济效益的等多方面因素存在问题，综合解决问题的能力尚不成熟。因此教师在教学过程中要注重理论联系实践，让学生融会贯通，学以致用。【效果分析】首先，从元素的视角看物质世界是化学学科特有的思想方法。通过“元素观”的建构，使学生主动地认识含氮元素的各种物质（如氢化物——单质——氧化物），以元素为核心建立起一种工业合成新物质的认识框架；元素化合物最核心的问题就是转化，只有当学生掌握了转化关系，才能解决制备、检验、工业设计等一系列的问题。通过“向空气要氮肥”这一问题的讨论，帮助学生建构物质转化观念，使学生进一步体会到化学反应是化学研究的一个中心问题，通过化学反应不仅能够认识物质，而且还能合成物质，解决了资源匮乏的矛盾，彰显了物质合成的社会价值。其次，学生很快能够判断出实现高转化率所需的条件与实现高速率所需的条件相互矛盾，正因如此需要进行合成氨反应条件的选择和优化。教学中让学生认识矛盾的普遍性和矛盾的辩证关系，既引导学生掌握化学的一般规律，又引导学生以普遍规律为指导，从事物的特殊性出发进行具体的分析研究。最后化学教学中需要在引导学生学习化学知识的基础上，从传授事实、掌握知识转变为发展观念。从实验室到工业化，围绕动态平衡观和辩证观等核心观念统筹热力学和动力学理论知识进行生产条件的选择和优化，进而形成解决此类问题的相对稳定的“大观念”，最终形成一幅关于合成氨研究的全景图，以便学生从科学的视角有效地处理日常生活中遇到的问题。【教材分析】本节教学设计是以鲁科版《化学反应原理（选修）》第二章第4节“化学反应条件的优化----工业合成氨”为教学内容。本节内容是前三节“化学反应的方向”、“化学反应的限度”、“化学反应的速率”的延续，是对前三节知识的综合应用。\o"合成氨"合成氨工业对化学工业、国防工业和我国实现农业现代化具有重要意义。本节教材体现了化学反应速率和化学平衡移动原理等理论对工业生产实践的指导作用，同时在运用理论的过程中，也可进一步加深对所学理论的理解，渗透了从理论到实践，从原料到产物的工业技术思想；同时工业合成氨背后的探索故事，也有利于激发学生的化学兴趣，体验探索过程的困难与不易，从而达到情感态度与价值观方面的升华。第4节化学反应条件的优化—工业合成氨【学习目标】1.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.初步形成解决化学工艺流程问题的基本思路【合作探究一】实验室合成氨【阅读】课本65-67，试讨论回答反应方向：常温下，氮气和氢气有可能合成氨气吗？请根据教材65页交流研讨中的数据，计算298K时合成氨反应能否自发进行（计算时单位要统一）反应限度：请利用化学平衡的知识分析什么条件有利于氨的合成？①合成氨反应的特点是什么？（1）反应（是、否）可逆反应。（2）正反应是（吸、放）热的。（3）正反应是气体体积（增大、减小、不变）的反应。②采取哪些措施有利于提高合成氨反应的限度？温度（升高、降低）；压强（增大、减小）；增大浓度，减小浓度。3.反应速率：结合信息和所学知识分析，哪些措施能够加快氮气、氢气合成氨的反应速率？合成氨反应速率与反应物浓度关系：ν=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)（1）温度（升高、降低）；（2）压强（增大、减小）；（3）增大浓度，减小浓度。（4）催化剂（使用、不使用）【归纳总结】比较从反应限度和反应速率两个方面推得的有利于合成氨反应的条件，哪些条件是相一致的，哪些条件是相矛盾的？外界条件使合成氨速率快使平衡气中氨的含量高一致性温度压强催化剂浓度【合作探究二】从实验室走向工业生产请同学们结合资料和教材67和68页，完成下列表格：工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度为什么不尽可能使用更高的压强？为什么反应温度控制在700K左右？为什么氮气与氢气物质的量之比是1:2.8而不是1:3【小结】优化条件选择与分析的基本思路：【合作探究三】合成氨的生产流程反应体系中各组分的部分性质见下表：气体氮气氢气氨氧气熔点/℃－210.01－252.77－77.74－218.4沸点/℃－195.79－259.23－33.42-182.96合成氨的基本生产过程包括_________,__________,___________三大部分；原料气的获得：EQ\o\ac(○,1)N2主要来自于__________，由于N2较O2的沸点低，可采用先将空气高压液化，再减压蒸发，最先分离出的气体是________EQ\o\ac(○,2)H2主要来自于_____________________________________________________。试写出以天然气为原料时制备氢气的方程式：______________________________________________________________________原料气净化的主要目的是______________________________4.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________，这样做的主要目的是_____________________________【总结】【迁移应用】1.硫酸是工业生产中最为重要的产品之一，也是化学工业的重要原料。（1）在硫酸工业生产中，我国采用黄铁矿为原料（与氧气反应）生产SO2，进料前必须将黄铁矿粉碎，目的是________。（2）已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H＜0反应使用的催化剂为五氧化二钒，实验测得SO2反应生成SO3的转化率与温度、压强有关，请根据下表信息，结合工业生产实际，选择最合适的生产条件。EQ\o\ac(○,1)生产中应选用的温度是，理由是EQ\o\ac(○,2)生产中采用的压强是，理由是（3）现在欲提高反应速率和SO2的转化率，下列措施可行的是

。

A．向装置中通入氮气且保持体积不变B．向装置中通入氧气且保持体积不变

C．添加更多的催化剂D．降低温度，及时转移SO3（4）硫酸工厂排放的尾气中，含少量二氧化硫．为防止污染大气，在排放前必须进行尾气处理并设法进行综合利用．硫酸工厂排放尾气中的SO2通常用足量石灰水吸收，然后再用稀硫酸处理．请写出这种尾气处理方法的优点（写出两点即可）：．【课后反思】合成氨工业的最终目的是为了人类的生存,科学家们经过一个多世纪的不懈探索最终实现了“向空气要氮肥”。这一过程倾注了化学家的智慧,体现了化学家的思想、观点和方法,这些思想方法的集合构成了化学学科思想。本节课是基于化学基本观念