课件13张PPT。第2章 化学反应的方向、限度与速率第4节 化学反应条件的优化
——工业合成氨【工业合成氨的发展历史】早在19世纪以前，为了满足人们对氮肥，含氮的化合物日益增长的需求，英国物理学家克鲁克斯率先发出了“向空气中要氮肥”的号召哈伯实验室合成氨，1918年诺贝尔化学奖博施实现工业合成氨，1931年诺贝尔化学奖克鲁克斯哈伯【哈伯—实验室合成氨的条件】N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 该反应能不能发生，在什么样的条件下能更快、更多的获取氨气？反应方向反应限度反应速率1.反应方向：298K时，△H-T△S ﹤0 反应能自发进行
298K时，K=4.1×106 (mol·L-1) -2【哈伯—实验室合成氨的条件】哈伯2.反应限度：①合成氨反应的特点是什么？
（1）反应 可逆反应。
（2）正反应是 热的。
（3）正反应是气体体积 的反应。
②采取哪些措施有利于提高合成氨反应的限度？
（1） 温度；（2） 压强；
（3）增大 浓度，减小 浓度哈伯【哈伯—实验室合成氨的条件】N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) △H=-92.2KJ·mol-1降低增大氮气、氢气氨气哈伯【哈伯—实验室合成氨的条件】3.反应速率合成氨反应速率与反应物浓度关系：ν=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)（1） 温度；
（2） 压强；
（3）增大 浓度，减小 浓度。
（4） 催化剂升高增大使用可增大合成氨反应速率的措施氮气、氢气氨气【资料一】锇是一种贵重金属，储量较少，开发成本高，粉末状的金属锇，常温下会逐渐氧化成四氧化锇。四氧化锇在48℃时熔化，在130℃时沸腾。锇蒸汽有剧毒，强烈刺激人眼黏膜，严重会造成失明。
【资料二】高温高压条件下，氢气会使钢脱碳，导致氢腐蚀，使钢的机械性能下降，氢气会渗透到钢材内部，使钢材出现裂纹。
【资料三】当氮气与氢气体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高，但是氮气在催化剂上吸附是反应中最难发生的步骤，是影响反应速率的关键步骤。
【资料四】合成氨出气口氨的含量较低，原料不能得到充分利用。博施【博施团队—工业合成氨适宜条件】寻找合适的催化剂，降低成本制造耐高温高压设备调整氮、氢比例使未反应气体循环利用工业生产要注重：原料易得，成本低，利用率高，生产效率高等博施【博施团队—工业合成氨适宜条件】【交流·研讨】1.为什么不尽可能使用更高的压强？2.为什么反应温度控制在700K左右？3.为什么氮气与氢气物质的量之比是1:2.8而不是1:3催化剂Fe在
700K时催化活性最强【实验室合成氨的条件】【课堂小结】哈伯博施（3）考虑原料的价格、未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。【课堂小结】工业生产条件的选择与优化一般思路与方法：（1）条件的选择—反应速率和化学平衡共同作用的结果（2）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。1. 关于合成氨的反应，下列说法正确的是 （ ）
A．温度越高，反应速率越快，所以合成氨反应的温度越高越好
B．压强越大合成氨反应速率越大，工业上不采用过高的压强主要是考虑反应的限度问题
C．使用催化剂可以提高单位时间内氨气的产量
D．浓度越大，反应速率越快，所以不必把氨从混合物中分离出来 【巩固练习】C2.根据二氧化硫催化氧化为三氧化硫的反应特点和下表数据，选择工业上制硫酸中二氧化硫接触氧化的适宜条件。
（1）2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g）△H＜0
（2）温度和压强对二氧化硫的平衡转化率的影响
（1）应该选用的温度是： 。
（2）应该采用的压强是： ；
理由是：0.1MPa时SO2的转化率已经很高，采用更高的压强，转化率提高不大，对设备要求高，增加成本400℃0.1MPa【迁移·应用】【作业】1.完成学案达标检测
2.查阅资料，了解工业合成氨的历史。第4节 化学反应条件的优化
—工业合成氨
班级 姓名
【学习目标】
1.能够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.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。
3.感受科学技术对人类文明发展的重大作用。
【学习过程】
【合作探究一】实验室合成氨气
【交流·研讨】
反应方向：常温下，氮气和氢气有可能合成氨气吗？
请根据教材65页交流研讨中的数据，计算298K时合成氨反应能否自发进行（计算时单位要统一）
反应限度：请利用化学平衡的知识分析什么条件有利于氨的合成？
①合成氨反应的特点是什么？
（1）反应 （是、否）可逆反应。
（2）正反应是 （吸、放）热的。
（3）正反应是气体体积 （增大、减小、不变）的反应。
②采取哪些措施有利于提高合成氨反应的限度？
（1） 温度（升高、降低）；（2） 压强（增大、减小）；
增大 浓度，减小 浓度。
3.反应速率：结合信息和所学知识分析，哪些措施能够加快氮气、氢气合成氨的反应速率？
合成氨反应速率与反应物浓度关系：ν=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)
条件
△ E /kJ/mol
k(催)/k(无)
无催化剂
335
3.4×1012
(700K)
使用Fe催化剂
167
（1） 温度（升高、降低）；（2） 压强（增大、减小）；
（3）增大 浓度，减小 浓度。
（4） 催化剂（使用、不使用）
【归纳总结】比较从反应限度和反应速率两个方面推得的有利于合成氨反应的条件，哪些条件是相一致的，哪些条件是相矛盾的？
外界条件
使合成氨速率快
使平衡气中氨的含量高
一致性
温度
压强
催化剂
浓度
【合作探究二】工业合成氨适宜条件
【资料一】锇是一种贵重金属，储量较少，开发成本高，粉末状的金属锇，常温下会逐渐氧化成四氧化锇。四氧化锇在48℃时熔化，在130℃时沸腾。锇蒸汽有剧毒，强烈刺激人眼黏膜，严重会造成失明。
【资料二】高温高压条件下，氢气会使钢脱碳，导致氢腐蚀，使钢的机械性能下降，氢气会渗透到钢材内部，使钢材出现裂纹。
【资料三】当氮气与氢气体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高，但是氮气在催化剂上吸附是反应中最难发生的步骤，是影响反应速率的关键步骤。
【资料四】合成氨出气口氨的含量较低，原料不能得到充分利用。
【交流·研讨】
请同学们结合资料和教材67和68页，完成下列表格
外部条件
工业合成氨的适宜条件
压强
温度
催化剂
浓度
为什么不尽可能使用更高的压强？
为什么反应温度控制在700K左右？
为什么氮气与氢气物质的量之比是1:2.8而不是1:3
【归纳总结】利用化学反应原理分析化工生产的一般思路是：
【巩固练习】
1.关于合成氨的反应，下列说法正确的是 （ ）
A．温度越高，反应速率越快，所以合成氨反应的温度越高越好
B．压强越大合成氨反应速率越大，工业上不采用过高的压强主要是考虑反应的限度问题
C．使用催化剂可以提高单位时间内氨气的产量
D．浓度越大，反应速率越快，所以不必把氨从混合物中分离出来
【迁移应用】
2.根据二氧化硫催化氧化为三氧化硫的反应特点和下表数据，选择工业上制硫酸中二氧化硫接触氧化的适宜条件。
（1）2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g）△H＜0
（2）温度和压强对二氧化硫的平衡转化率的影响
压强/MPa
转化率%
温度/℃
0.1
0.5
1
10
400
99.2
99.6
99.7
99.9
500
93.5
96.9
97.8
99.3
600
73.7
85.8
89.5
96.4
（1）应该选用的温度是：
（2）应采用的压强是： 理由是：
。
【达标检测】
1．工业合成氨的反应是在500℃左右进行，主要原因是（?? ）
A.500℃时反应速率最快 B.500℃时 NH3的平衡浓度最大 C.500℃时N2的转化率最高 D.500℃时催化剂能发挥最大效力
2．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
3．平衡体系CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)+Q
为了增加甲醇产量，工厂应采取的正确措施是（?? ） A.高温，高压? B.适宜温度和压强、催化剂 C.低温，低压? D.低温，高压，催化剂
第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨
【教材分析】
合成氨工业对化学工业、国防工业和我国实现农业现代化具有重要意义。本节教材体现了化学反应速率和化学平衡移动原理等理论对工业生产实践的指导作用，同时在运用理论的过程中，也可进一步加深对所学理论的理解。通过本节课的学习，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；使学生了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。
【学情分析】
学生通过对前两节的学习，已经掌握了反应方向的判断，温度、浓度等外界条件对化学平衡的影响和影响化学反应速率的因素，具有了相应的知识基础。学生刚刚学完这部分内容感觉比较抽象，不容易理解，在学习过程中需要老师去引导，循序渐进，在复习基础知识的基础上，讨论合成氨反应的特点，从而探讨出工业生产所需的合适条件。但对于如何处理从化学热力学角度实现高转化率所需的条件与从动力学角度实现高速率所需的条件的矛盾，以及实际生产中还要考虑成本、经济效益的等多方面因素存在疑问。
【教学目标】
知识与技能：
应用化学反应速率和化学平衡原理，学会理论联系实际选择合成氨生产的适宜条件。
过程与方法：
通过理论联系实际的过程，认识化学反应原理在化工生产中的重要作用。
通过体验合成氨条件的选择和优化的过程，培养分析推理能力。
情感态度与价值观：
感悟化学原理对生产实践的指导作用，并懂得一定的辩证思维和逻辑思维
通过体检发现矛盾、解决矛盾的过程，激发探索科学的学习热情。
【重点难点和难点】
合成氨适宜条件的选择
化学反应原理应用与生产实际综合因素的分析。
【教学方法】启发式教学法、小组讨论法
【教学手段】 多媒体，学案导学
【教学过程】
教师活动
学生活动
设计意图
【情景引入】介绍工业合成氨的历史背景以及在合成氨过程中做出突出贡献的两位科学家哈伯与博施，提出问题：科学家哈伯是如何寻找合成氨的条件的？博施又是怎样实现工业合成氨的？这节课我们就追逐着这些科学家的足迹，了解工业合成氨的历程。
【投影】19世纪英国物理学家克鲁克斯发出了“向空气中要氮肥”的号召，两位科学家的介绍。
【过渡】首先让我们感受一下科学家哈伯的研究过程。
【环节一】哈伯-实验室中合成氨的条件
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)，氨中含有氮氢两种元素，空气中含有大量的氮气，科学家们设想利用氮气和氢气合成氨气。那么一个反应设计出来，我们是不是马上就做实验呢？
【提问】该反应能不能发生？在什么条件下能更快更多的得到氨气？
【交流·研讨】
常温下，氮气和氢气有可能合成氨气吗？
若想提高氨在平衡混合气中的含量，可以采取哪些措施？
哪些措施能够加快氮气、氢气合成氨的反应速率？
请同学们根据所学的知识，以小组讨论的形式解决学案中的这几个问题并进行汇报交流。
【归纳总结】对比合成氨的有利条件中哪些是一致的，哪些是矛盾的，怎样解决？哈伯在实验摸索中还会遇到哪些困难？
【讲述】当时哈伯的确遇到了很多困难，但是他没有放弃，通过计算和实验摸索哈伯采用了450℃的温度，找到具有较高活性的金属锇作为催化剂，利用工业压缩机提供了2×107Pa的压强在实验室中成功合成了氨。为工业合成氨的实现奠定了基础。后人形象的把它称为“天使”-用空气制造出面包的圣人。
【过渡】哈伯的研究成果出来之后马上被德国最大的化学工业公司买下。委任当时也非常著名的化学工程专家博施担任实现工业上合成氨的项目负责人。那么如何将哈伯的研究成果转化成生产力？博施团队会遇到哪些困难呢？
【环节二】博施-工业合成氨适宜的条件
【投影】展示4个资料，让学生感受实现工业合成氨中遇到的困难，引导学生分析条件的优化
【任务】结合资料以及课本，找出工业合成氨的适宜条件
【交流研讨】
1.为什么不尽可能使用更高的压强？
2.为什么温度控制在700K左右？
3.为什么氮气与氢气的物质的量比是1:2.8而不是1:3？
给出催化剂铁的催化效率与温度的信息，引导学生思考回答问题
【过渡】哈伯与博施团队之所以能够实现他们的伟大事业，正是凭着这种执着和锲而不舍的精神让他们获得了成功，这是我们需要向他们学习的方面。
【环节三】课堂总结
【归纳总结】1.合成氨条件的选择与优化：依据反应限度和反应速率的综合分析得出实验室中合成氨的条件，而工业生产还需要从产品上，设备的综合指标等方面对反应条件进行优化。
聆听，了解工业合成氨的历史背景，感受科学技术对人类文明的巨大贡献
思考回答
反应能否发生，反应需要什么条件
交流、讨论，汇报
思考
需找合适的催化剂，如何获得高压
阅读资料，分析解决办法
阅读分析填写学案中合成氨的适宜条件
交流讨论回答问题
聆听，感受科学家们的精神
尝试归纳总结
激发学生的学习兴趣，丰富学生对工业合成氨的了解，引出主题。
引导学生对设计的反应用正确的方法去分析
根据前三节课所学内容从三个角度分析合成氨反应的可行性，有利于合成氨的反应条件
通过分析总结得出实验室合成氨的条件
感受科学家锲而不舍的精神，引出工业合成氨适宜条件的选择教学内容
通过分析工业合成氨中遇到的问题，使学生感受实验室和工业生产的区别
进行情感教育
知识上的总结
教师活动
学生活动
设计意图
2．方法上的总结：从合成氨的条件的选择和优化我们不难得出，在工业生产中条件的选择与优化的一般思路和方法是：反应条件的确定是反应速率与反应限度共同作用的结果。当反应条件相互矛盾时即不能只片面的追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而是应该寻找以较高反应速率获得适当平衡转化率的条件。此外，还要考虑原料的价格，未反应物质的循环使用，反应热的综合利用等。
【环节四】课堂检测
【巩固练习】
1.关于合成氨的反应，下列说法正确的是 （ ）
A．温度越高，反应速率越快，所以合成氨反应的温度越高越好
B．压强越大合成氨反应速率越大，工业上不采用过高的压强主要是考虑反应的限度问题
C．使用催化剂可以提高单位时间内氨气的产量
D．浓度越大，反应速率越快，所以不必把氨从混合物中分离出来
【迁移应用】
2.根据二氧化硫催化氧化为三氧化硫的反应特点和下表数据，选择工业上制硫酸中二氧化硫接触氧化的适宜条件。
（1）2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g）△H＜0
（2）温度和压强对二氧化硫的平衡转化率的影响
压强
转化率
温度
0.1MPa
0.5 MPa
1 MPa
10 MPa
400
99.2
99.6
99.7
99.9
500
93.5
96.9
97.8
99.3
600
73.7
85.8
89.5
96.4
（1）应该选用的温度是：
（2）应采用的压强是： 理由是：
。
尝试归纳总结
回答问题并分析
回答问题并分析
方法上总结
巩固合成氨条件的选择与优化
工业生产条件的优化选择
板书设计：
第4节 反应条件的优化
-工业合成氨
一、实验室合成氨
1.方向：自发进行
2.限度：降低温度，增大压强，增大反应物浓度，减小生成物浓度
3.速率：升高温度，增大压强，增大反应物浓度，减小生产物浓度
二、工业合成氨的适宜条件
1．压强 适当高压，一般在1×107～1×108Pa
2．温度 适宜温度，700K左右
3.催化剂 使用铁催化剂
4.浓度 n(N2)：n(H2)=1：2.8，分离氨，未转化的N2和H2循环利用
鲁科版《化学反应原理》第2章
第4节化学反应条件的优化—工业合成氨
教
学
设
计
