2.4基于化学史的化学反应的调控的深度教学探索-以工业合成氨反应为例 课件高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

新人教版选择性必修一第二章第四节《化学反应的调控》基于化学史的化学反应的调控的深度教学探索——以工业合成氨反应为例1教材分析本节教材编写顺序1原理分析主要是讨论合成氨可能的条件2联系实际结合生产实际情况，

介绍合成氨的条件3形成思路根据合成氨适宜条件的选择的讨论中形成选择适宜生产条件的基本思路4研究概况介绍合成氨的研究历史和发展前景★教学目标(1)通过工业合成氨适宜条件的选择与优化，认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的主要作用。(2)在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路，体会化学反应原理的应用价值。★教学重点与难点(1)重点：合成氨反应中化学反应速率和化学平衡的综合调控。(2)难点：形成多角度调控化学反应的思路。教学目标与重难点2教学过程n

18世纪末，英国化学家克鲁克斯“先天下之忧而忧”，率先发出为了使子孙后代免于饥饿“向空气要氮肥”的号召。化学创造了第二个大自然！课题引入讨论与交流N2＋3H22NH3∆H=－92.2kJ/mol

∆S=－198.2J/(K·mol)温度/℃25350400450600700平衡常数5×1081.8470.5070.1520.0092.6×10－318世纪末，有人试图在常温常压下合成氨，也有人在常温加压下进行实验。预测结果如何？∆G=∆H－T∆S弗里茨·

哈伯弗里茨·哈伯（Fritz

Haber，1868年12月9日~1934年1月29日），德国化学家，出生在德国西里西亚布雷斯劳（现为波兰的弗罗茨瓦夫）的一个犹太人家庭。1909年，成为第一个从空气中制造出氨的科学家，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展，因此获得1918年瑞典科学院诺贝尔化学奖。一战中，哈伯担任化学兵工厂厂长时负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用于战争之中，造成近百万人伤亡，遭到了美、英、法、中等国科学家们的谴责。分析讨论弗里茨·

哈伯与能斯特的不同的合成氨条件研究者压强/atm温度/℃催化剂平衡混合气中NH3所占体积分数哈伯150~250550锇8.25%能斯特50685铂粉0.96%为什么哈伯获得的平衡混合气中NH3的体积分数比能斯特的高？为什么不采用更低的温度，以获得更高的产率？选择合成氨反应适宜条件的思维模型讨论：

催化剂对适宜条件的要求及对设备的要求高温高压对合成氨的不利影响？对设备的要求？博施采用铁触媒为合成氨的催化剂，讨论以下问题：应如何选择适宜的温度和压强？博施博施（1874～1940），德国工业化学家。博施在巴登苯胺纯碱公司的重大成就是使F.哈伯发明的合成氨法实现工业化。他组织力量找到了合适的合成氨催化剂，完善了高压反应器的结构设计，并解决了氮、氢原料气的工业生产方法等问题。因此，巴登苯胺纯碱公司于1913年在奥堡建立了世界第一座合成氨工厂，并命名这种合成氨法为哈伯－博施法。因在高压化学合成技术上作出的重大贡献，与柏吉斯共获1931年诺贝尔化学奖。思考与讨论反应条件：投料比c(N2):c(H2)=1:2.9、反应温度439℃、压强30.0MPaN2＋3H2 2NH3N2H2NH3合成塔出塔口各组分浓度(mol/L)1.032.990.997反应达平衡时各组分浓度(mol/L)0.7472.102.51计算该温度下平衡常数与Qc并进行比较。如何提高原料气的转化率？从化学反应速率和化学平衡两个角度，分析合适的调控方法。反应很慢（破坏氮氮三键需要很高的能量），但升高温度会导致反应ΔG>0

使得氨气又分解。在1000°C时，合成氨只占到混合气体的0.01，根本没有意义。提高反应速率

提高转化率反应条件：浓度、温度、压强、催化剂思考与讨论

根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？对合成氨反应的影响影响因素浓度温度压强催化剂增大合成氨的反应速率

提高平衡混合物中氨的含量

增大增大反应物浓度移走氨升温降温增大增大正催化剂不影响增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致?①升高温度，氨的含量降低。这与反应速率是矛盾的；②增大压强，氨的含量增大。这与反应速率是一致的。【数据分析】压强越大，NH3%越大温度越低，NH3%越大若追求产率，怎么选条件？若追求速率，怎么选条件？压强问：合成氨工业中一般采用的压强为10-30Mpa，为什么不采用＞30Mpa的压强？

压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这会加大生产投资，可能降低综合经济效益。图2-11

400℃下平衡时的体积分数随压强的变化示意图压强增大，氨的含量增大，合成氨的反应速率加快。选择生产条件的原则：既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。【平衡、速率角度一致】温度问：合成氨工业中一般采用的温度为400-500℃，为什么不采用＜400℃的温度？温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长，不经济。图2-12

10MPa下平衡时氨的体积分数随温度的变化示意图升高温度，合成氨的反应速率加快，但氨的含量减小。选择生产条件的原则：综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适且符合实际需求的生产条件。催化剂问：在高温高压下N2和H2的反应仍然十分缓慢，请提出合适的方法解决上述问题。催化剂：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。弗里茨·哈伯：锇或用铀—碳化铀作催化剂锇：效果好，但储量极少且锇蒸汽有剧毒。铀：价格昂贵，性质过于敏感卡尔·博施：寻找廉价、安全、稳定的催化剂。6500次试验，2500种不同配方，最终选用活化温度700K左右的含铅镁促进剂的铁触媒。图2：催化剂不同温度下的催化能力催化剂铁触媒在500℃左右时的活性最大混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化催化剂合成氨的适宜条件催化机理合成氨过程中包含几个基元反应？哪个步骤是合成氨反应的决速步骤？决速步中所需要的能量主要用于克服哪种微粒间的作用力？扩散→吸附→表面反应→脱附→扩散理解催化剂作用下的反应历程吸附表面反应脱附催化剂多个峰的含义？1.加入催化剂之后，活化能大大降低;

2.加入催化剂之后，产生了几个小峰，说明发生了几个反应。理解催化剂作用下的反应历程计算机模拟的铁触媒参与下合成氨反应能量-反应历程图决速步骤合成氨图：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线①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。②及时分离生成的NH3，为N2和H2腾出更多可供吸附的催化剂表面空间问：在温度与压强的最佳条件下，平衡混合物中氨的含量仍不高?【原理分析】【实际选用】a、迅速冷却氨气成液态并及时分离b、将氨分离后的原料气循环使用，并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度。n(N2):n(H2)

≈1:2.8合成氨的工艺流程未来与展望科学家使用具有高质子电导率的SCY陶瓷(能传导H＋)为合成氨的介质，实现了高温常压下氨气的合成，请分析电极反应式。总反应：

N2＋3H2=2NH3钯电极A钯电极B未来与展望生物固氮的能力是化学固氮能力的数千倍，可根据生物燃料电池的原理进行电化学合成氨的设计。当生物燃料电池工作时，在电极与酶之间有MV＋/MV2＋传递电子，请分析电极及固氮酶区域的反应式。总反应：

N2＋3H2=2NH3固氮酶区域氢化酶区域本节课教学主线1.1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是（

）A.①②③ B.②④⑤C.①③⑤ D.②③④B

2.据报道，在300℃、70MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是（

）A.使用Cu­-Zn­-Fe催化剂可大大提高生产效率B.反应需在300℃下进行可推测该反应是吸热反应C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率B

⇌3.某温度下，对于反应:N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)

ΔH＝－92.4