原創《合成氨條件的選擇》網絡課教案

教學目的： 1．知識目標：使學生理解如何應用化學反應速率和化學平衡的原理，選擇合成氨工業的適宜條件；了解應用化學原理選擇化工生產條件的思路和方法。 2．能力目標：通過運用化學反應速率和化學平衡的原理選擇合成氨工業的適宜條件，培養學生分析問題、解決問題的能力以及對所學理論的應用能力。 3．情感目標：通過對合成氨工業的展望，激發學生熱愛祖國、刻苦學習的激情。 重點：應用化學反應速率和化學平衡的原理選擇合成氨工業的條件。 難點：使學生理解如何應用化學反應速率和化學平衡的原理，選擇合成氨工業的適宜條件。 課時安排：一課時 教學方法： 1．通過復習化學反應速率和化學平衡移動的有關知識，啟發學生得出應用化學原理選擇化工生產條件的思路和依據，并結合實際生產，討論合成氨工業的適宜條件。 2．通過校園網絡的平臺，觀看合成氨的錄像，使學生了解濃度對合成氨的影響及原料氣的循環使用等問題。 3．通過校園網，閱讀有關合成氨的歷史，展望合成氨的未來。使學生明確化工生產條件并非一成不變的，激勵學生為選擇更好的合成氨條件而努力學習。 教具準備： 合成氨錄像，合成塔模型，學校校園網。 教學過程： 討論問題： 化學反應應用于化工生產應考慮哪兩方面的問題？ 學生討論并總結，同時展示下列框圖。 化學反應快慢，即化學反應速率 化工生產 化學反應進行的程度，即化學平衡 討論問題： 1．影響化學反應速率的主要因素有哪些？ 2．要使一個化學平衡發生移動，可改變哪些條件？ 3．在化工生產上選擇生產條件，離不開化學反應速率和化學平衡的有關知識，我們這一節課就學習、探討合成氨的條件。 板書：　　　　　　　第四節　合成氨條件的選擇 提問并投影：工業合成氨的化學原理？ 　　　　　　N2�。�　3H2　＝＝＝　2NH3 討論：此化學反應的特點？ 投影： 　　　　　　　　　　　　　　可逆反應 合成氨反應的特點　　　　正反應是氣體體積縮小的反應 　　　　　　　　　　　　　　正反應是放熱反應 討論： 1．此反應在通常條件下容易進行嗎？（從物質結構上考慮） 2．如果你作為一個合成氨工廠的技術人員，為了提高經濟效益，即提高氨氣的產量，你首先要考慮什么問題？ 3．討論總結：①加快化學反應速率，②提高NH3在平衡混合氣中含量，③可采取哪些措施，請填寫下列表格 　　　　　　　　目的 條件　　　　選擇 使NH3生成得快 （從速率分析） 使NH3生成得多 （從平衡分析） 壓強 增大壓強 增大壓強 溫度 升高溫度 降低溫度 催化劑 使用催化劑 無影響 濃度 增大反應物濃度 增大反應物濃度 減低反應物濃度 根據上表和化工生產的實際情況，來分析合成氨的適宜條件 板書：一、成氨條件的選擇 組織學生討論，并可閱讀課文以及下列閱讀材料，充分發表意見，總結歸納出合成氨的條件。 閱讀材料：1   選擇壓強時主要考慮下列幾個因素： 設備材料的強度和制造要求。 壓強過高會增加投資，降低經濟效益。 適宜壓強是20Mpa――50MPa 閱讀材料2   選擇溫度時主要考慮下列幾個因素： 在該溫度下反應速率較快。 在該溫度下平衡轉化率較高 在該溫度附近，催化劑活性最大。 閱讀材料3 合成氨催化劑的選擇歷史： 合成氨催化劑鐵觸媒發現是經過大量科學家的努力。最初是1909年德國化工專家哈伯發現了鋨催化劑，但鋨是貴金屬，以鋨為催化劑不利于氨合成的普及。后來有人建議用天然礦石作催化劑試驗，因為合成氨是在高溫、高壓下進行的，有還原性氣氛（H2＝）的存在，就可使礦石中金屬氧化物發生還原反應生成多種金屬的復雜物質可能具有催化性能。真是“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費工夫”，德國化學家波施在大量試驗礦石的過程中發現，使用瑞典磁鐵礦能取得相當滿意的氨產量。經過分析瑞典磁鐵礦和進一步試驗，發現最好的催化劑就是純鐵和百分之幾的氧化鋁、少量的鉀堿和石灰熔合，其組成與瑞典磁鐵礦相似，現在全世界所有的合成氨催化劑都是依據這個發現制備的，只是性能和結構更趨于逢穩定和合理。 板書： 1．壓強：20Mpa――50MPa 2．溫度：適宜500℃ 3．催化劑：鐵觸媒 問題討論： 1．工業上在上述溫度、壓強、催化劑條件下，可使平衡混合物中NH3含量達到多少呢？ 請大家閱讀課文（回答：約26．4%） 2．可見，NH3的產率并不高，那么還可以進一步采取什么措施來提高NH3的產量呢？ 觀看錄像：合成氨工業流程 （注意觀察工業上為了提高反應物的轉化率，在濃度方面采取了什么措施，在什么設備中進行？設備特點如何？氣體在其中如何流動？） 師生共同得出結論：①把NH3液化分離。 ②N2和H2循環使用，及時補充。 ③N2與H2的加入比例保持1:3　 展示合成氨工業中合成塔模型： 注意三點：①耐高壓厚壁。②有厚層的催化劑。③存在熱交換器 過渡：那么這樣的設備是否是合成氨最好的設備？它是怎樣演變來的？ 板書：二、合成氨工業的發展史及合成氨工業的發展前景 1．回顧合成氨催化反應 20世紀初驚心動魄的化學反應莫過于合成氨反應，當時合成氨反應對外界的震撼力不亞于現今的“超導材料”和“碳60”。那時，從兩河流域到歐洲平原，從西奈半島到非洲全境，從喜馬拉雅山脈北麓到東海之濱廣袤的土地上，最需要的是水分和氮肥， 在19世紀，人們就知道合成氨反應在熱力學上是可行的，尋找合適的催化劑是當時化學工作者最迫切的任務。 1909年7月2日，德國化工專家哈伯(Fritz Haber)領導的研究小組首先用金屬鋨粉作催化劑，在高溫高壓設備中成功地生產出90g氨，全世界為之震驚,他因此獲得了1919年的諾貝爾化學獎。BASF（Badische Anilin und Soda Fabrik）公司為了開發合成催化劑，搶先預訂了全世界所有金屬鋨的購買權，總量約100kg，并出資幫助此項研究工作，這足以看出當時BASF公司開發合成氨催化劑的決心之大、信心之足、心情之迫切。 隨后不長時間，哈伯被推選擔任在柏林新建立的物理化學與電化學研究所所長。BASF公司把研究合成氨催化劑的工作交給Alilin Mittasch。他并沒有一頭扎進實驗室，而是對過去的實驗數據進行了全面分析，對幾百種試驗的催化劑進行分類和總結，竟然大膽地沖破許多權威理論的思想束縛，提出了一個未經證明的科學假設，即： 1．尋找合適的催化劑必須用相當多的元素和大批添加劑進行實驗。 2．催化反應要像哈伯的實驗一樣，必須在高溫和高壓條件下進行。 3．需要進行極大量的成套實驗。 他們的研究隊伍依據這樣的理論假設，著手實驗。從1909年到1912年的短時間內，完成的實驗是驚人的，在2500個催化劑上大約進行了6500次試驗。試驗的次數超過了1萬次，完成了4000多個不同體系的研究工作。與此同時，全世界至少有30多個國家，幾百個研究機構也都進行尋找和開發合成氨催化劑的研究工作，真可謂上如火如荼的時代。 然而，以貴金屬（金屬鋨等）為主要催化劑，再添加其他化合物與元素的研究工作成效不大。根據Mittasch的假設，有人建議用天然礦石作催化劑試驗，因為合成氨是在高溫、高壓下進行的，有還原性氣氛（H2＝）的存在，就可使礦石中金屬氧化物發生還原反應生成多種金屬的復雜物質可能具有催化性能。真是“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費工夫”，德國化學家波施（Bosch）在大量試驗礦石的過程中發現，使用瑞典磁鐵礦能取得相當滿意的氨產量。 經過分析瑞典磁鐵礦和進一步試驗，發現最好的催化劑就是純鐵和百分之幾的氧化鋁、少量的鉀堿和石灰熔合，其組成與瑞典磁鐵礦相似，現在全世界所有的合成氨催化劑都是依據這個發現制備的，只是性能和結構更趨于逢穩定和合理。 在1913年9月9日，實現氨生產的工業化，興建的裝置是用285mm直徑的反應器，催化劑體積為90L，在200Pa壓力下運轉，起始氨的日產量只有3t－5t，但是生產量逐漸增加，到1917年由Haber－Bosch生產過程所生產的氨年產量已超過60000t。 人們對合成氨反應的研究堪稱世界第一反應，時至今日仍然有許多科學家對合成氨催化劑的結構、性能、反應動力學作更深的研究工作。在化學界把合成氨反應看成經典反應，任何一個催化新理論，任何一個催化動力學模型，任何一個化學反應的新概念，都要用合成氨反應來檢驗和證明。 今天，在世紀之交的關鍵時刻，回顧上世紀最重要的化學反應之一――合成氨反應這一段歷史，緬懷為開發合成氨反應的先驅們那種百折不撓的精神，對學習化學反應、理解化學反應、應用化學反應和發現化學反應起都是非常有益的，對我們的學習工作都有所幫助。 2．展望合成氨的發展前景 問題：通過上述討論，如果你是一位工程師，你想采取什么措施，來進一步提高氨的產量和降低合成氨的成本？ ①研究新的能承受高壓的材料， ②研制新的能為生高壓的設備 ③研制合成新的低溫催化劑。 閱讀材料： 1．合成氨條件的選擇是與科學進步、動力、材料、設備等有密切關系的。隨著科技的發展，動力、材料、設備將得到不斷的改善，可采用更高的壓力，從而提高N2與H2的轉化率，增大氨氣的為率。 2．目前一些科學家正努力新的催化劑，試圖在較低的溫度下進行合成氨反應，如果新的催化劑研制成功，那么，不但能大大加快合成氨在低溫下的反應速率，而且能提高原料氣的轉化率，還能減緩生產中對壓強的要求，減少設備制造的投資。 3．化學模擬生物固氮也是科學家致力研究的方向。 　　　某些豆科類植物的根部有根瘤菌共生，根瘤菌能起固氮作用，即攝取空氣中氮氣并使它轉化成氨氣等，從而被植物直接吸收，這就叫做生物固氮的現象。生物固氮現象是在常溫常壓下進行的，實際是地球上氮氣固定，絕大部分是通過生物固氮進行的。據不完全統計，全世界工業合成氮肥中的氮只占固氮總量的20%，那么，人們能不能向大自然學到這種本領呢？這就需要研究如何模擬生物固氮的功能，把生物固氮的原理應用于化學工業生產，借以改善現

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