逍遥学能 2013-01-18 02:34
第四节 合成氨条的选择
从容说
合成氨工业对化学工业和我国实现农业现代化具有重要意义。本节内容体现了化学反应速率和平衡移动原理等理论对工业生产实践的指导作用。能够培养学生理论联系实际的意识。通过本节的学习，也可进一步加深学生对所学理论的理解。从内容上分，本节共介绍了两个知识点。其一主要是通过讨论引导学生运用化学反应速率和化学平衡原理等知识，综合考虑合成氨生产中动力、设备、等的实际情况，合理地选择合成氨的生产条；其二是拓宽思路，探讨合成氨的发展前景。当然，前者是本节教学的重点和难点。
在教学中，针对合成氨反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应，首先要求学生运用已学过的知识，讨论增大合成氨的化学反应速率所应采取的措施。在此基础上，再要求学生根据提供的有关实验数据，讨论提高平衡混合物中NH3的含量所应采取的方法。然后，结合合成氨生产中动力、、设备、催化剂活性等实际情况，通过具体分析，得出合成氨时压强、温度、催化剂等的最佳条。此外，应通过合成氦生产过程示意图、浓度等条对合成氨的影响，原料的循环使用等问题，使学生理解合成氨条的选择应以提高经济效益为目的。
本节第二部分内容的教学，其目的不在于知识本身，而是更多地侧重了培养学生的创新精神和科学方法的训练，教学过程中应适度把握。
●教学目标
1. 使学生理解如何应用化学反应速率和化学平衡的原理，选择合成氨的适宜条。
2. 使学生了解应用化学原理选择化工生产条的思路和方法。
3. 通过运用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条，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。
4. 通过对合成氨工业未的展望，激发学生热爱祖国、刻苦学习的激情。
●教学重点
应用化学反应速率和化学平衡的原理选择合成氨的适宜条
●教学难点
使学生理解如何用化学反应速率和化学平衡的原理选择合成氨的适宜条
●时安排
一时
●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的思路和依据，并结合生产实际，讨论得出合成氨的适宜条。
2. 通过观看合成氨的录像，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. 通过阅读和讨论，使学生明确化工生产条并非一成不变，激励学生为选择更好的合成氨条而努力学习。
●教具准备
合成氨录像带、合成塔模型、投影仪、胶片
●教学过程
［复习提问］
1. 影响化学反应速率的因素有哪些？
［生］浓度、温度、压强、催化剂等。
2. 要使一个化学平衡发生移动，可改变哪些条？
［生］浓度、温度，有气体的反应可改变压强。
［师］在化工生产上选择生产条，离不开化学反应速率和化学平衡的有关知识，我们这节就学习合成氨条的选择。
［板书］第四节 合成氨条的选择
［师］请大家写出合成氨的化学方程式。
［一个学生板演］N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
［师］请大家结合我们第一所学知识，说出这个反应有何特点？
［生］学生甲：反应物和生成物全为气体。学生乙：是气体体积缩小的可逆反应。学生丙：正反应是放热反应。
［教师提示］该反应常温常压下容易进行吗？为什么？
［生］N2分子结构稳定，N≡N不易断裂。
［讨论］如果你是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？
结论：1. 如何加快反应速率；2. 如何提高NH3在平衡混合气中的含量。
［师］那么我们要快合成氨的反应速率而且还要使平衡尽可能正向移动，可以采取哪些措施呢？请同学们讨论以后填写下表。
［投影］
目的
选择
条使NH3生产得快（从速率分析）使NH3生产得多（从平衡分析）
压强
温度
催化剂
浓度
说明：有条的学校可把上表制成多媒体，学生讨论后，边回答，边显示出正确答案，最后得出如下结果：
目的
选择
条使NH3生产得快（从速率分析）使NH3生产得多（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小生成物浓度
［师］下面我们就根据上表和化工生产的实际情况，分析一下合成氨的适宜条。
［板书］一、合成氨的条选择
1. 压强
［师］从上表可以看出，从反应速率和化学平衡移动分别考虑，对压强的要求是一致的，增大压强，既能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，又能提高氨气在平衡混合气中的含量，那么是不是压强越大越好？一般采取多大压强？请同学们打开本，阅读P50。
［生］因为压强越大，需要的动力越高，对材料的强度和设备的制造要求也越高，这会大大增加投资，并可能降低综合经济效益。目前合成氨厂一般采用的压强是20 Pa～50 Pa。
［板书］20 Pa～50Pa
［师］下面我们再看温度的选择
［板书］2. 温度
［师］从上表分析，高温有利于加快反应速率，但却降低了平衡时氨气在混合气体中的含量，低温可以提高氨气在平衡混合气中的含量，但反应速率慢，需要很长时间才能达到平衡状态，这在化工生产上也是很不经济的。所以温度不能太低，也不能太高，工业上一般在500℃左右的温度下进行。
［板书］500℃左右
［师］选择500℃左右的温度，还与另外一个因素有关，那就是催化剂的使用。
［板书］3. 催化剂
［师］合适的催化剂能成万倍的增大化学反应速率，缩短反应达到平衡需要的时间，但催化剂的活性与温度有关，对于合成氨使用的催化剂，在500℃左右时活性最大，因此选择500℃左右的温度。
那么合成氨工业采用什么催化剂呢？1909年德国化工专家哈伯发现了锇催化剂，但锇是贵重金属，以锇为催化剂不利于合成氨的普及，后，德国化学家波施经过两万多次的实验，终于得到了理想的以Fe为主体，含少量、g、Al和Ca的多成分催化剂，一直使用到今天，工业上称为铁触媒。
［板书］铁触媒——以铁为主体的多成分催化剂。
［师］工业上在上述温度、压强和催化剂作用下，可使平衡混合气中NH3的体积分数达到多大呢？请同学们打开本49页，看表2—5，看一下在500℃、20 Pa～50 Pa时NH3的体积分数大约为多少？
［生］26.4%左右。
［师］显然，NH3的产率并不太高，那么还需要采取什么措施提高NH3的产率呢？
［生］改变浓度。
［师］对，从前边的分析可知，增大反应物的浓度或减小生成物的浓度，均可使化学平衡正向移动，那么工业上是如何增大反应物浓度减小生成物浓度的呢？下面请大家注意看合成氨的录像，注意看工业上为提高反应物转化率，在浓度方面采取了什么措施？合成氨的反应在什么设备中进行的，这个设备有何特点？气体在其中是如何流动的？
（放录像）
［师］从录像中看出，为提高原料的利用率，在生产过程中还采取了哪些措施？
［生］把NH3液化分离出去，N2、H2混合气体循环使用，及时补充N2和H2。
［板书］4. 浓度：分离出NH3后的N2、H2循环使用，并及时补充原料气。
［问］大家注意到补充原料气时N2和H2的比例了吗？
［生］1∶3。
［师］对，N2和H2开始以1∶3的体积比进入合成塔,分离出的气体中N2和H2仍为
1∶3，再以1∶3的体积比补充原料气，就可以使反应物始终保持一定的浓度，避免了不断调整反应物配比的麻烦。
那么，从平衡混合气中分离出NH3，利用了氨气的什么性质呢？
［生］易液化。
［师］合成氨是在什么设备中进行的？
［生］合成塔。
［展示］合成塔模型
［师］请大家结合刚才的录像，说一说合成塔结构上有什么特点？
［生］①有耐高压的厚壁；②安放有厚层的催化剂；③有热交换器。
［师］由于合成氨的反应是放热反应，通过热交换器，可以预热氮、氢混合气体，使热量得到充分利用，那么这样的设备是不是最好的设备呢？将还有可能有更好的设备吗？请同学们阅读本——合成氨工业的发展前景。
［板书］二、合成氨工业的发展前景
［师］看完后请同学们讨论一下，如果你是一位工程师，你想采取什么办法进一步提高氨产量？或降低合成氨的成本？
［生］①研制新的能承受高压的材料。②研制新的能产生高压的设备。③研制合成新的催化剂。
［师］合成氨条的选择是与科学进步、动力、材料、设备等条的改善紧密联系的，随着科技的发展，我国合成氨工业已有迅速发展，1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。目前一些科学家正努力研制新的催化剂，试图使合成氨的反应在较低温度下进行。那么，如果新的催化剂研制成功，会不会减缓合成氨生产中对压强的要求而减少设备制造的投资呢？
［学生讨论后可能得出以下两种结论］一、不会。因为催化剂只能加快反应速率而不能引起平衡移动，而增大压强是为了使平衡向正反应方向移动，以增大NH3的产量。二、会，因为新催化剂可以使反应在较低温度下就有很大的反应速率，这样降低了反应所需温度，低温有利于平衡正向移动，增大NH3的产量，这样就可以减缓生产中对压强的要求而减少设备制造的投资。
［教师］同学们说得都有道理，增大压强和降低温度都有利于提高NH3的产量，并不矛盾，所以若能研制出新的催化剂，降低反应所需温度，又能研制出能承受高压且廉价的新材料，岂不更好？希望同学们好好学习，为我国合成氨工业的发展更上一个新台阶做出贡献。
下面请同学们回忆一下合成氨化工生产条的选择依据，回答下列问题：
［投影］在制硫酸的工业生产中，有以下反应：2SO2（g）+O2(g) 2SO3(g)（正反应为放热反应），反应温度为450℃，使用V2O5为催化剂。在此条下，如果压强为0.1 Pa，SO2的转化率为97.5%；压强为10 Pa，SO2转化率为99.3%，回答：
（1）工业生产中选择450℃左右的温度，原因是什么？
（2）增大压强时合成SO3是否有利？在实际生产中应如何选择压强？为什么？
（3）生产中要用过量的空气，为什么？
［答案］（1）为了加快反应速率且使催化剂活性最强，所以选择450℃。
（2）有利。在实际生产中应采取常压，因常压下反应物已有很高转化率，增大压强虽然可提高SO2转化率，但对设备要求也高，得不偿失。
（3）用过量的空气，可增大反应物中O2的浓度，从而加快反应速率，并提高SO2的转化率。
［布置作业］P50一、二、三、四、五
●板书设计
第四节 合成氨条的选择
一、合成氨的条选择
1. 压强：20 Pa～50 Pa
2. 温度：500℃左右
3. 催化剂：铁触媒——以铁为主体的多成分催化剂。
二、合成氨工业的发展前景
●教学说明
应用化学原理选择化工生产条是本节的重点内容，因此在本节的教学中我通过引导学生分析合成氨的反应特点，启发学生从加快反应速率和促进平衡正向移动讨论生产条，以加深学生对所学知识的理解，并提高其应用所学知识解决实际问题的能力。在教学中，通过放录像和观看合成塔模型，使学生对合成氨的生产过程和设备有所了解，并增强学生的学习兴趣，然后从合成氨的设备引出合成氨的前景讨论，在活跃的堂气氛中，使学生轻松地掌握本节的知识。
［参考练习］
1．工业上合成氨时一般采用500℃左右的温度，其原因是( )
A．适当提高NH3的合成速率
B．提高H2的转化率
C．提高NH3的产率
D．催化剂在500℃左右活性最大
答案：AD
2．对于合成氨的反应说，使用催化剂和施以高压，下列叙述中正确的是( )
A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响
B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间
C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响
D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用
答案：C
3．在一定条下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中NH3的体积占25％，若反应前后
条保持不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是( )
A．1／5 B．1／4 C．1／3 D.1／2
答案：A