教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

课题

引入

【联想·质疑】 利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，经历了约130年的时间。

化学反应N₂(g) + 3H₂(g)  2NH₃(g)看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的发展过程？合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？

【投影】合成氨的车间外貌和生产设备图（略）

倾听、思考。

浏览图片。

创设问题情境。

提出

问题

【设问】假如你是一个工厂的厂长，对畅销产品的成本、生产效率作何要求？

【引入】现在工厂合成氨气，应从哪些方面选择合成氨的反应条件呢？

回答：降低成本、提高生产效率、增加产品的产量和质量。

回答：从反应限度和反应速率两个方面。

引入新课，激发兴趣。

培养学生思维的有序性。

问题

探究

【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 = -92.2 kJ·mol^-1，△S = -198.2 J·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？

【提问】请同学们写出合成氨反应的热化学方程式，并讨论说明合成氨反应的特点。

【评价并板书】

N₂(g)+3H₂(g) 2NH₃(g)  △H = -92.2 kJ·mol^-1

估算得出△H－T△S＜0，推知该反应可以自发进行。

书写合成氨反应的热化学方程式。

归纳：①可逆反应；②正反应是放热反应；③正反应是气体的物质的量减小（或熵减小）的反应。

使学生体会一般的研究思路：第一步是进行热力学分析，先判断反应的方向。

为讨论合成氨适宜生产条件作准备。

问题

探究

【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。

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与H₂的体积比为1：3时，平衡混合物中氨的含量最高。

进行热力学分析，利用平衡移动原理分析如何提高氨的产量。

【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哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？

回答：

1．升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂。

第二步是进行动力学分析，研究反应的速率问题。

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问题

探究

【交流·研讨】

2．实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率和参与反应的物质的浓度的关系式为：

ν = k c (N₂) c^1.5(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：

2．合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。

增大N₂、H₂浓度，将NH₃及时从混合气中分离出去。

3．使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高（上万亿倍）。

问题1是让学生从整体上对影响化学反应速率的各种因素进行定性分析。

问题2强调：反应速率关系式由实验测定获得。

问题1-3旨在培养学生分析问题的能力。

问题

延续

【板书】三、合成氨的适宜条件

【交流·研讨】

1．根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率?请将你的建议填入下表。

2．从化学平衡和化学反应速率两个角度来综合分析，你认为合成氨的适宜条件该如何确定？请参考下列图表内容进行分组讨论。

填写表格。

分8个小组进行交流研讨，得出结论。

旨在使学生体会这是用理论解决实际问题的一个重要步骤，需要综合评价热力学与动力学的研究结果，还必须考虑实际工艺技术等各方面因素。

通过小组讨论，培养小组合作的学习能力。

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问题

拓展

【投影】

第1、2小组：理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求高、压缩N₂和H₂需要的动力大，因此应根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。

第3、4小组：需要。使用催化剂可以提高合成氨反应的速率，实际生产中选用铁催化剂。

第5、6小组：不是。虽然降低温度有利于平衡正向移动，但是温度越低反应速率越小，达平衡所需要的时间越长，因此温度不宜太低。此外，铁催化剂在700K左右的催化活性最大。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）。

第7、8小组：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。

旨在提示学生从理论分析（化学平衡和化学反应速率理论）和生产实际（如高压对设备材质、加工制造的要求和所需能耗的多少、温度对催化剂活性的影响等）两个角度考虑问题。

培养学生读图能力。

问题

解决

【投影】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。

【交流·研讨】

3．为了提高合成氨生产的能力，你认为还可以在哪些方面做进一步改进？（请结合课本67页最后一段到68页第一段的内容）

【板书】       研讨的结果

观看投影，获取信息。

阅读教材，得出结论：实验表明适当提高N₂的比例，当N₂和H₂的物质的量比为1：2.8时更能加快合成氨反应的进行。

培养学生自学能力，概括能力。

结合生产数据介绍合成氨实际生产条件，使学生在解决实际问题的过程中进一步加深对所学理论的理解。

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小结

反思

【小结·反思】 关于合成氨的工业化生产

1．合成氨的工业条件的选择——反应速率和化学平衡共同作用的结果

2．选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。

3．此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气（氮气和氢气）的循环使用、反应热的综合利用等问题。

课堂反思

1．知识收获：

2．方法收获：

培养学生的归纳能力和反思能力。

归纳

总结

【设问】选择适宜生产条件的原则是什么？

【评价并板书】选择适宜生产条件的原则

【投影】选择适宜生产条件的原则：

⑴ 既要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的矛盾性。

⑵ 既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性；又要注意催化剂的活性对温度的限制。

⑶ 既要注意理论上的需要，又要注意实际操作的可能性。

讨论出：注意浓度、压强、温度、催化剂等对反应速率和化学平衡的共同影响。

理解并笔记。

激励探究精神。

对学生渗透矛盾存在的普遍性的哲学观点。

问题

展望

【投影】

合成氨的工业前景

感受。

拓宽学生的视野。

练习

巩固

【随堂检测】

1．在合成氨工业中，为增加NH₃的日产量，下列变化过程不能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2×10⁷～5×10⁷ Pa的压强

2．工业上用以合成氨的原料之一——氢气，有一种来源是取自石油气。有人设计了以下反应途径，假设反应都能进行，你认为最合理的是（     ）。

检测目标完成情况。

题1考查内容是逻辑思维能力。

练习

巩固

3．接触法制取硫酸的SO₂催化氧化过程中，反应

 的适宜温度为         ，其理由是                       。此反应是气体体积缩小的反应，但工业生产中并未采用加压措施的原因是                      。为提高SO₂的转化率，工业上常使用的方法是                                  。有关实验数据如下表所示：

题2考查内容是思维的广阔性和综合性。

题3考查内容是思维的灵活性和深刻性。

【随堂检测参考答案】

1．解析：因催化剂不影响化学平衡移动，合成氨是放热反应，降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动。答案：B、C。

2．解析：注意本题反应方程式未配平，而工业生产要求成本低、原料利用率高、反应条件相对比较温和。答案：C。

3． 450℃。    加快反应速率，但温度过高不利于SO₃生成，提高催化剂的活性等合理答案。

常压下SO₂的转化率已经很高，若采用较大压强，SO₂的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高，成本提高很大。    通入过量的空气。

布置

作业

【作业】

课本第70页的“迁移应用”。