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2019-2020年高中化学必修选修合成氨条件的选择教材分析合成氨工业无论对化学工业、国防工业和我国农业的发展都具有重要的意义化学理论最根本的宗旨是在于应用,特别是指导生产实际,同时也是对化学理论的巩固与理解本节教材实际上可分为两部分一是通过引导学生从提高化学反应速率以缩短反应所需要的时间角度和从增加平衡混合物中氨的百分含量的角度,来讨论出合成氨的适宜条件;一是探讨合成氨的发展前景在第一部分的合成氨条件的选择教学中,要充分考虑合成氨的生产实际,即动力条件、设备条件和生产效率,特别是应该向学生强调,不能一味追求合成氨的氨的百分含量而降低温度,要以经济效益为目的另外,要引导学生合成氨条件的选择中学会其他类似工作生产的合适条件的选择在第二部分教学中,主要培养学生的科学想象能力,特别是创新精神及科学方法教学目的1.知识目标
(1)使学生理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理,选择合成氨的适宜条件
(2)了解合成氨生产的一般流程和反应原理、反应条件等2.能力和方法目标
(1)通过合成氨生产条件的分析和选择,使学生了解应化学原理选择化工生产条件的思路和方法
(2)通过用化学反应速率理论、化学平衡理论选择合成氨反应条件,培养知识的综合应用和归纳能力
(3)通过合成氨对工业、农业等领域的重要作用的教育,让学生理解化学对于改善人类生活的重要意义教学重点合成氨适宜条件的选择及其选择方法教学难点从化学反应速率及化学平衡两个角度中选择合成氨的适宜条件教学方法比较发现法、例举法、讨论法教学设计
一、合成氨条件的选择【结论一】
(1)从反应速度的角度看温度越高、压强越大,化学反应越快,使用催化剂反应加快,单位时间内生成的产品越多;
(2)从化学平衡的角度看高压低温,平衡时生成物NH3的百含量高
1、压强的选择压强越打越好但是受动力、材料、设备等条件的限制,目前我国20MPa~50MPa
2、温度的选择500℃左右依据
(1)从转化程度上看低温有利
(2)从反应速率上看,温度太低,反应速率会太小,达平衡时间就会太长,单位时间产量就会太低,不经济
(3)所采用的催化剂在500℃时活性最大
3、催化剂的选择采用催化剂(铁触媒)
4、其他
(1)采用冷却的方法,把氨气液化后及时从反应混合物中分离出去;
(2)及时补充原料气,使反应物保持一定的浓度;
(3)循环使用没有转化的原料气
二、合成氨工业的发展前景
1、合成氨工业的历史
2、目前关于合成氨的课题研究的介绍【引入】(讲述)合成氨反应在工业、国防、农业现代化中的重要意义例举制造塑料、致冷剂、硝酸、化肥等,也是人工固氮的最常见方法这节课我们就利用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识来讨论一下合成氨条件的选择问题【设置问题】(应到学生一步步的探讨)写出合成氨的化学反应方程式;N2+3H22NH
32、说明这个反应有什么特点;(讨论小结)特点a、可逆反应b、正反应放热c、正反应是气体体积减小的反应
3、请同学们分析工业生产主要要考虑哪些问题;首要经济效益与社会效益基本要求a、反应快b、原料利用率高c、单位时间内产量高
3、从反应速率和化学平衡两方面看,选择什么样的操作条件才才能达到上述要求?
(1)根据外界条件对化学反应速率的影响,说明要使合成氨的反应速率增大,应该选用什么样的反应条件?
(2)仅仅考虑如何提高化学反应速率,是否能实现提高生产效率和降低成本呢?
(3)根据教材表2-3的实验数据,结合该反应的特点,并利用化学平衡的原理思考要提高合成氨平衡混合物中氨的百分含量,应该采用什么样的措施?(结合上述问题边讨论边完成下表)合成氨反应N2+3H22NH3(正反应放热)使反应速率加快使反应程度增大压强高压高压温度高温低温催化剂使用无影响【过渡】综合上面的讨论,结合合成氨工业生产的实际情况我们来具体的研究一下合成氨的条件的选择问题(分析)压强增大,从反应速率和化学平衡看都是有利于合成氨的但从生产实际考虑,压强越大,需要的动力越大,对材料的强度和设备的制造要求越高,将使成本增大故一般合成氨厂采用的压强是20~50MPa帕斯卡【设疑】(引导学生阅读教材P48相应内容思考讨论)从理论上看合成氨的压强应该是越大越好还是越小越好呢?为什么从生产实际上看,增大压强受到什么限制?(得出结论)受动力、材料、设备等条件的限制,目前我国的合成氨厂一般采用的压强是20MPa~50MPa【设疑】(引导学生思考讨论)
1、从提高反应速率的角度看应选择(高温或低温)条件
2、从提高合成氨平衡混合物中氨的百分含量的角度来看,应选择(高温或低温)条件
3、这两个角度的选择是互相矛盾的,那么实际生产中选择了500℃左右的温度,其根据是什么呢?(要学生通过自学教材来明白这里温度的选择要考虑那些方面)【铺垫】
1、写出氨分子的电子式;
2、从氨分子的成键上可以看出,氨分子的结构;【讲述】正因为如此,即使在高温、高压下合成氨的反应仍然进行的十分缓慢【设疑】要想该反应在较低的温度下,较大幅度的提高反应速率,应该采取什么措施呢?【设疑】事实上,即便是在500℃和30MPa时,合成氨平衡混合物中氨的体积分数也只有
26.4%,也就是说该反应的转化率还是相当低的,除了上面的考虑外,还可以采用哪些措施来进一步促使化学平衡向生成氨的方向移动?(学生可以开放性回答,把学生提出的所有方案中再进一步分子讨论,寻找合理易操作的方案)(让学生自学教材了解合成氨工业的发展史)(引导学生思考讨论)为进一步提高合成氨的能力在目前合成氨的课题研究中还要解决哪些问题?【教学小结】选择适宜条件的办法及合成氨适宜条件【课后思考】根据选择适宜条件的方法为二氧化硫接触氧化指三氧化硫选择适宜的条件例1氨的合成反应,N2+3H22NH3+Q在合成氨的生产中采用的适宜条件是A.低温、高压、适当的催化剂B.高温、常压C.尽可能高温、高压D.适当的温度、适当的高压,适宜催化剂解析错选A原因是没有全面地综合考虑合成氨的适宜条件应从单位时间内提高氨的产量的效益上考虑所以应选D为答案答案D例2简述以焦炭、水、空气为原料制取硝酸铵写出所有的化学方程式解析该题属于合成题这种题型解法用逆推法即硝酸铵是由氨和硝酸化合而硝酸的工业制法为氨氧化法所以先合成氨由于氨是由氮气和氢气合成,故从原料考虑制取氮气和氢气氮气由空气提供,氢气由焦炭和水蒸气反应制得反应方程式(略)解答物质的制备或合成题时,一般要遵循以下原则
(1)原理正确、步骤简单
(2)条件合适、操作简便
(3)原料丰富、价格低廉
(4)产物纯净,污染物少例3在硫酸的工业生产中,通过下列反应使SO2转化为SO32SO2+O22SO3+热已知常压下SO3体积分数为91%,试回答
(1)在生产中常用过量的空气是为了
(2)加热到400—500℃是由于
(3)压强应采用(高压、常压)原因是
(4)常用浓H2SO4来吸收SO3,而不是用水,是因为
(5)尾气中的SO2必须回收,是因为解析本题主要考查在硫酸工业中,运用勒沙特列原理选择SO2转化为SO3的适宜条件的能力
(1)从增大某一反应物浓度,使平衡向生成物方向移动,另一反应物的转化率必提高去分析
(2)温度的选择从反应速率快慢,催化剂的活性温度两方面考虑
(3)压强从对平衡移动、设备及动力系统的要求两方面考虑
(4)从吸收过程中发生的反应对吸收速率的影响去分析
(5)从环境保护方面考虑答案
(1)增大氧气的浓度,使平衡向正反应方向移动,提高了二氧化硫的转化率,使成本高的二氧化硫得到充分利用
(2)400—500℃是催化剂的活性温度,选择此温度可提高反应速率,缩短到达平衡所需的时间
(3)常压因为常压下SO3体积分数已达91%,若再加压对设备及动力系统要求高、成本高、使生产效益低
(4)用水吸收SO3会形成酸雾,使吸收的速率减慢
(5)SO2有毒避免对环境的污染【作业布置】分析角度反映条件。