原创《合成氨条件的选择》网络课教案
教学目的： 1．知识目标：使学生理解如何应用化学反应速率和化学平衡的原理，选择合成氨工业的适宜条件；了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。 2．能力目标：通过运用化学反应速率和化学平衡的原理选择合成氨工业的适宜条件，培养学生分析问题、解决问题的能力以及对所学理论的应用能力。 3．情感目标：通过对合成氨工业的展望，激发学生热爱祖国、刻苦学习的激情。 重点：应用化学反应速率和化学平衡的原理选择合成氨工业的条件。 难点：使学生理解如何应用化学反应速率和化学平衡的原理，选择合成氨工业的适宜条件。 课时安排：一课时 教学方法： 1．通过复习化学反应速率和化学平衡移动的有关知识，启发学生得出应用化学原理选择化工生产条件的思路和依据，并结合实际生产，讨论合成氨工业的适宜条件。 2．通过校园网络的平台，观看合成氨的录像，使学生了解浓度对合成氨的影响及原料气的循环使用等问题。 3．通过校园网，阅读有关合成氨的历史，展望合成氨的未来。使学生明确化工生产条件并非一成不变的，激励学生为选择更好的合成氨条件而努力学习。 教具准备： 合成氨录像，合成塔模型，学校校园网。 教学过程： 讨论问题： 化学反应应用于化工生产应考虑哪两方面的问题？ 学生讨论并总结，同时展示下列框图。 化学反应快慢，即化学反应速率 化工生产 化学反应进行的程度，即化学平衡 讨论问题： 1．影响化学反应速率的主要因素有哪些？ 2．要使一个化学平衡发生移动，可改变哪些条件？ 3．在化工生产上选择生产条件，离不开化学反应速率和化学平衡的有关知识，我们这一节课就学习、探讨合成氨的条件。 板书： 第四节 合成氨条件的选择 提问并投影：工业合成氨的化学原理？ N2 ＋ 3H2 ＝＝＝ 2NH3 讨论：此化学反应的特点？ 投影： 可逆反应 合成氨反应的特点 正反应是气体体积缩小的反应 正反应是放热反应 讨论： 1．此反应在通常条件下容易进行吗？（从物质结构上考虑） 2．如果你作为一个合成氨工厂的技术人员，为了提高经济效益，即提高氨气的产量，你首先要考虑什么问题？ 3．讨论总结：①加快化学反应速率，②提高NH3在平衡混合气中含量，③可采取哪些措施，请填写下列表格 目的 条件 选择 使NH3生成得快 （从速率分析） 使NH3生成得多 （从平衡分析） 压强 增大压强 增大压强 温度 升高温度 降低温度 催化剂 使用催化剂 无影响 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度 减低反应物浓度 根据上表和化工生产的实际情况，来分析合成氨的适宜条件 板书：一、成氨条件的选择 组织学生讨论，并可阅读课文以及下列阅读材料，充分发表意见，总结归纳出合成氨的条件。 阅读材料：1 选择压强时主要考虑下列几个因素： 设备材料的强度和制造要求。 压强过高会增加投资，降低经济效益。 适宜压强是20Mpa――50MPa 阅读材料2 选择温度时主要考虑下列几个因素： 在该温度下反应速率较快。 在该温度下平衡转化率较高 在该温度附近，催化剂活性最大。 阅读材料3 合成氨催化剂的选择历史： 合成氨催化剂铁触媒发现是经过大量科学家的努力。最初是1909年德国化工专家哈伯发现了锇催化剂，但锇是贵金属，以锇为催化剂不利于氨合成的普及。后来有人建议用天然矿石作催化剂试验，因为合成氨是在高温、高压下进行的，有还原性气氛（H2＝）的存在，就可使矿石中金属氧化物发生还原反应生成多种金属的复杂物质可能具有催化性能。真是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫”，德国化学家波施在大量试验矿石的过程中发现，使用瑞典磁铁矿能取得相当满意的氨产量。经过分析瑞典磁铁矿和进一步试验，发现最好的催化剂就是纯铁和百分之几的氧化铝、少量的钾碱和石灰熔合，其组成与瑞典磁铁矿相似，现在全世界所有的合成氨催化剂都是依据这个发现制备的，只是性能和结构更趋于逢稳定和合理。 板书： 1．压强：20Mpa――50MPa 2．温度：适宜500℃ 3．催化剂：铁触媒 问题讨论： 1．工业上在上述温度、压强、催化剂条件下，可使平衡混合物中NH3含量达到多少呢？ 请大家阅读课文（回答：约26．4%） 2．可见，NH3的产率并不高，那么还可以进一步采取什么措施来提高NH3的产量呢？ 观看录像：合成氨工业流程 （注意观察工业上为了提高反应物的转化率，在浓度方面采取了什么措施，在什么设备中进行？设备特点如何？气体在其中如何流动？） 师生共同得出结论：①把NH3液化分离。 ②N2和H2循环使用，及时补充。 ③N2与H2的加入比例保持1:3 展示合成氨工业中合成塔模型： 注意三点：①耐高压厚壁。②有厚层的催化剂。③存在热交换器 过渡：那么这样的设备是否是合成氨最好的设备？它是怎样演变来的？ 板书：二、合成氨工业的发展史及合成氨工业的发展前景 1．回顾合成氨催化反应 20世纪初惊心动魄的化学反应莫过于合成氨反应，当时合成氨反应对外界的震撼力不亚于现今的“超导材料”和“碳60”。那时，从两河流域到欧洲平原，从西奈半岛到非洲全境，从喜马拉雅山脉北麓到东海之滨广袤的土地上，最需要的是水分和氮肥， 在19世纪，人们就知道合成氨反应在热力学上是可行的，寻找合适的.催化剂是当时化学工作者最迫切的任务。 1909年7月2日，德国化工专家哈伯(Fritz Haber)领导的研究小组首先用金属锇粉作催化剂，在高温高压设备中成功地生产出90g氨，全世界为之震惊,他因此获得了1919年的诺贝尔化学奖。BASF（Badische Anilin und Soda Fabrik）公司为了开发合成催化剂，抢先预订了全世界所有金属锇的购买权，总量约100kg，并出资帮助此项研究工作，这足以看出当时BASF公司开发合成氨催化剂的决心之大、信心之足、心情之迫切。 随后不长时间，哈伯被推选担任在柏林新建立的物理化学与电化学研究所所长。BASF公司把研究合成氨催化剂的工作交给Alilin Mittasch。他并没有一头扎进实验室，而是对过去的实验数据进行了全面分析，对几百种试验的催化剂进行分类和总结，竟然大胆地冲破许多权威理论的思想束缚，提出了一个未经证明的科学假设，即： 1．寻找合适的催化剂必须用相当多的元素和大批添加剂进行实验。 2．催化反应要像哈伯的实验一样，必须在高温和高压条件下进行。 3．需要进行极大量的成套实验。 他们的研究队伍依据这样的理论假设，着手实验。从1909年到1912年的短时间内，完成的实验是惊人的，在2500个催化剂上大约进行了6500次试验。试验的次数超过了1万次，完成了4000多个不同体系的研究工作。与此同时，全世界至少有30多个国家，几百个研究机构也都进行寻找和开发合成氨催化剂的研究工作，真可谓上如火如荼的时代。 然而，以贵金属（金属锇等）为主要催化剂，再添加其他化合物与元素的研究工作成效不大。根据Mittasch的假设，有人建议用天然矿石作催化剂试验，因为合成氨是在高温、高压下进行的，有还原性气氛（H2＝）的存在，就可使矿石中金属氧化物发生还原反应生成多种金属的复杂物质可能具有催化性能。真是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫”，德国化学家波施（Bosch）在大量试验矿石的过程中发现，使用瑞典磁铁矿能取得相当满意的氨产量。 经过分析瑞典磁铁矿和进一步试验，发现最好的催化剂就是纯铁和百分之几的氧化铝、少量的钾碱和石灰熔合，其组成与瑞典磁铁矿相似，现在全世界所有的合成氨催化剂都是依据这个发现制备的，只是性能和结构更趋于逢稳定和合理。 在1913年9月9日，实现氨生产的工业化，兴建的装置是用285mm直径的反应器，催化剂体积为90L，在200Pa压力下运转，起始氨的日产量只有3t－5t，但是生产量逐渐增加，到1917年由Haber－Bosch生产过程所生产的氨年产量已超过60000t。 人们对合成氨反应的研究堪称世界第一反应，时至今日仍然有许多科学家对合成氨催化剂的结构、性能、反应动力学作更深的研究工作。在化学界把合成氨反应看成经典反应，任何一个催化新理论，任何一个催化动力学模型，任何一个化学反应的新概念，都要用合成氨反应来检验和证明。 今天，在世纪之交的关键时刻，回顾上世纪最重要的化学反应之一――合成氨反应这一段历史，缅怀为开发合成氨反应的先驱们那种百折不挠的精神，对学习化学反应、理解化学反应、应用化学反应和发现化学反应起都是非常有益的，对我们的学习工作都有所帮助。 2．展望合成氨的发展前景 问题：通过上述讨论，如果你是一位工程师，你想采取什么措施，来进一步提高氨的产量和降低合成氨的成本？ ①研究新的能承受高压的材料， ②研制新的能为生高压的设备 ③研制合成新的低温催化剂。 阅读材料： 1．合成氨条件的选择是与科学进步、动力、材料、设备等有密切关系的。随着科技的发展，动力、材料、设备将得到不断的改善，可采用更高的压力，从而提高N2与H2的转化率，增大氨气的为率。 2．目前一些科学家正努力新的催化剂，试图在较低的温度下进行合成氨反应，如果新的催化剂研制成功，那么，不但能大大加快合成氨在低温下的反应速率，而且能提高原料气的转化率，还能减缓生产中对压强的要求，减少设备制造的投资。 3．化学模拟生物固氮也是科学家致力研究的方向。 某些豆科类植物的根部有根瘤菌共生，根瘤菌能起固氮作用，即摄取空气中氮气并使它转化成氨气等，从而被植物直接吸收，这就叫做生物固氮的现象。生物固氮现象是在常温常压下进行的，实际是地球上氮气固定，绝大部分是通过生物固氮进行的。据不完全统计，全世界工业合成氮肥中的氮只占固氮总量的20%，那么，人们能不能向大自然学到这种本领呢？这就需要研究如何模拟生物固氮的功能，把生物固氮的原理应用于化学工业生产，借以改善现【原创《合成氨条件的选择》网络课教案】相关文章：
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