高中化学人教版选修2课题2 人工固氮技术——合成氨 课件（23张PPT）
文档属性
| 名称 | 高中化学人教版选修2课题2 人工固氮技术——合成氨 课件（23张PPT） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 2.3MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2020-06-29 22:05:31 | ||
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文档简介
(共23张PPT)
课题
学科版本：化学沪科版
年级：高一年级
执教课题：人工固氮的发展历程
教学目标
1、知识与技能
(1)能书写合成氨方程式，从氮分子结构解释反应难以发生的原因(C)
(2)利用化学反应速率与化学平衡的知识解释解决合成氨生产条件的选择(C)
2、过程与方法
(1)通过比较20世纪初两种人工固氮反应的可行性与反应条件，认识化学平衡与化学反应速率原理在化工生产中的重要作用。
(2)通过了解20世纪10年代的合成氨设备的设计原理，初步了解化工生产中装置设计方法。
3、情感态度与价值观
(1)感悟在人工固氮的发展历程中，化学原理对生产实践的指导作用，并体会化学的科研成果从实验室往产业化发展的艰难之路，能被科学家不畏艰难的钻研精神所触动。
(2)通过对哈伯生平的了解和对100年来合成氨的功与过的思考，能建立辩证看待事物的价值体系。
人工固氮的发展
(artificial
fixation
of
nitrogen
)
一、为什么要发展人工固氮？
——氮肥对农作物的重要性
绿肥作物(主要是豆科植物)与粮食作物轮作制
有机肥料（又称农家肥）——绿肥、人粪尿、厩肥、堆肥、沤肥、沼气肥和废弃物肥料
为什么要发展人工固氮？
——轮作制和有机肥料不能满足需要
BRITISH
ASSOCIATION
FOR
THE
ADVANCEMENT
OF
SCIENCE
AT
BRISTOL.（1898）
威廉·克鲁克斯（英国化学家，1832年6月17日－1919年4月4日）
“英国和所有的文明国度都处于没有充足的东西可吃的危险之中．前一个世纪中，需要更多的食物就将草地和森林转化成麦地的做法已经不再适用，因为现在没有更多的土地了，但是人口仍在增加．必须由化学家来拯救这一困境，将饥馑转化为富足。每亩土地都在生产，但粮食仍是供不应求。怎么办？依靠氮，氮可以使用较少的土地出产较多的粮食．但是地球的氮储量也一直在降低鸟粪石储备基本上被耗尽，智利的硝酸钠矿注定几十年内也被采光……”
“某一天将会有一位化学家寻找出一种方法，将成对的氮原子间的三键打破，制出一种能为植物吸收的氮的化合物……”
二、人工固氮的可能选择
1.N2+O2
2NO-180kJ
为什么这么难？
高压电弧法制备，消耗大量电能，产量低。
当时的重点研究反应！
人工固氮的可能选择
2.N2+3H2
2NH3
键
NN
H-H
N-H
键能(kJ/mol)
945
436
391
Q=-945-436×3+391×6=+93kJ
困难一：氮气与氢气有可能合成氨气吗？
威廉·奥斯特瓦尔德（德国，1853年－1932年，
1909
nobel
prize）
能斯特（德国，1864年-1941年，
1920
nobel
prize）
勒·夏特列（Le
Chatelier,
Henri
Louis，法国化学家）（1850~1936）
弗里茨·哈伯（德国，1868年-1934年，
1918
nobel
prize）
困难二：如何控制外部条件使混合气体中氨的含量能达到工业化标准？如何能提高反应速率，使氨的单位时间内的产量达到一定规模？
N2+3H2
2NH3
+93kJ
可逆反应
正反应为放热
气体分子数变小的
使氨生成的快
（反应速率）
提高氨气的产量（化学平衡）
压强
温度
催化剂
高压
高温
使用
无影响
高压
低温
针对反应特点，分别从化学反应速率和化学平衡两个方面思考，讨论并完成下表。
一致
矛盾
哪种？
哈伯面临的两大问题
耐高压设备的设计与制造：200大气压
催化剂的选择
哈伯-罗塞格尔合成氨装置,1909年，现保存于慕尼黑德国博物馆
Robert
le
Rossignol:英国科学家
哈伯挑选了锇作催化剂，后来也考虑选用铀
产率为6%
哈伯面临的“小”问题
原料来源
H2
N2
空气
焦炭与水
用C与O2反应再除去CO2
哈伯提出的合成氨的条件-1909年7月
1.压强：
3.催化剂：
2.温度：
4.浓度：
200个大气压
600℃左右
N2、H2的再循环并及时补充N2和H2
——增大反应物的浓度
及时将氨冷却并从平衡气体中分离——降低生成物的浓度
锇作催化剂
产率为6%
合成氨工业化生产之路——博施面临的问题一
卡尔·博施
1874年8月27日-1940年4月26日
1931
nobel
prize
催化剂：
锇(Os)不稳定、有毒
铀(U)价格昂贵
铁触媒催化能力
博施面临的问题二
耐高压设备：
-受得住200个大气压的低碳钢，却害怕氢气的脱碳腐蚀。熟铁不含碳，不怕氢气的腐蚀，却没有强度，那该如何设计合成氨的反应塔呢？
Nobel
Prize
lecture
1931，Carl
Bosch
合成氨厂的实地照片
Haber-Bosch合成氨法总结
造气
压缩
合成
冷却
分离
未反应
N2
H2
液氨
合成氨的流程图：
How
a
century
of
ammonia
synthesis
changed
the
world,
Nature,
Geoscience,
2008.
Oct.
更多的思考……
哈伯与合成氨——是非功过
1918年诺贝尔奖获得者——发展了合成氨技术
第一次世界大战中德国毒气战的主要研究人员；
利用合成氨合成TNT用于战争
近一个世纪以来，含氮化肥产量达到100万亿吨/年
只有17万亿吨/年的氮肥被作物吸收利用，剩余进入了自然界氮循环
氮肥利用率80%降低为30%
2007
nobel
prize——有关合成氨的第三次诺贝尔奖
人工固氮的发展前景
化学模拟生物固氮
豆科植物根部长有根瘤，根瘤菌中存在固氮酶，所以豆科植物在常温常压下才能将空气中的氮气转化为氨。
固氮酶很怕氧，所以整个研究过程中必须严格无氧，这无疑给研究增加了难度。所以时至今日，固氮酶的固氮机理之谜还没解开。
课题
学科版本：化学沪科版
年级：高一年级
执教课题：人工固氮的发展历程
教学目标
1、知识与技能
(1)能书写合成氨方程式，从氮分子结构解释反应难以发生的原因(C)
(2)利用化学反应速率与化学平衡的知识解释解决合成氨生产条件的选择(C)
2、过程与方法
(1)通过比较20世纪初两种人工固氮反应的可行性与反应条件，认识化学平衡与化学反应速率原理在化工生产中的重要作用。
(2)通过了解20世纪10年代的合成氨设备的设计原理，初步了解化工生产中装置设计方法。
3、情感态度与价值观
(1)感悟在人工固氮的发展历程中，化学原理对生产实践的指导作用，并体会化学的科研成果从实验室往产业化发展的艰难之路，能被科学家不畏艰难的钻研精神所触动。
(2)通过对哈伯生平的了解和对100年来合成氨的功与过的思考，能建立辩证看待事物的价值体系。
人工固氮的发展
(artificial
fixation
of
nitrogen
)
一、为什么要发展人工固氮？
——氮肥对农作物的重要性
绿肥作物(主要是豆科植物)与粮食作物轮作制
有机肥料（又称农家肥）——绿肥、人粪尿、厩肥、堆肥、沤肥、沼气肥和废弃物肥料
为什么要发展人工固氮？
——轮作制和有机肥料不能满足需要
BRITISH
ASSOCIATION
FOR
THE
ADVANCEMENT
OF
SCIENCE
AT
BRISTOL.（1898）
威廉·克鲁克斯（英国化学家，1832年6月17日－1919年4月4日）
“英国和所有的文明国度都处于没有充足的东西可吃的危险之中．前一个世纪中，需要更多的食物就将草地和森林转化成麦地的做法已经不再适用，因为现在没有更多的土地了，但是人口仍在增加．必须由化学家来拯救这一困境，将饥馑转化为富足。每亩土地都在生产，但粮食仍是供不应求。怎么办？依靠氮，氮可以使用较少的土地出产较多的粮食．但是地球的氮储量也一直在降低鸟粪石储备基本上被耗尽，智利的硝酸钠矿注定几十年内也被采光……”
“某一天将会有一位化学家寻找出一种方法，将成对的氮原子间的三键打破，制出一种能为植物吸收的氮的化合物……”
二、人工固氮的可能选择
1.N2+O2
2NO-180kJ
为什么这么难？
高压电弧法制备，消耗大量电能，产量低。
当时的重点研究反应！
人工固氮的可能选择
2.N2+3H2
2NH3
键
NN
H-H
N-H
键能(kJ/mol)
945
436
391
Q=-945-436×3+391×6=+93kJ
困难一：氮气与氢气有可能合成氨气吗？
威廉·奥斯特瓦尔德（德国，1853年－1932年，
1909
nobel
prize）
能斯特（德国，1864年-1941年，
1920
nobel
prize）
勒·夏特列（Le
Chatelier,
Henri
Louis，法国化学家）（1850~1936）
弗里茨·哈伯（德国，1868年-1934年，
1918
nobel
prize）
困难二：如何控制外部条件使混合气体中氨的含量能达到工业化标准？如何能提高反应速率，使氨的单位时间内的产量达到一定规模？
N2+3H2
2NH3
+93kJ
可逆反应
正反应为放热
气体分子数变小的
使氨生成的快
（反应速率）
提高氨气的产量（化学平衡）
压强
温度
催化剂
高压
高温
使用
无影响
高压
低温
针对反应特点，分别从化学反应速率和化学平衡两个方面思考，讨论并完成下表。
一致
矛盾
哪种？
哈伯面临的两大问题
耐高压设备的设计与制造：200大气压
催化剂的选择
哈伯-罗塞格尔合成氨装置,1909年，现保存于慕尼黑德国博物馆
Robert
le
Rossignol:英国科学家
哈伯挑选了锇作催化剂，后来也考虑选用铀
产率为6%
哈伯面临的“小”问题
原料来源
H2
N2
空气
焦炭与水
用C与O2反应再除去CO2
哈伯提出的合成氨的条件-1909年7月
1.压强：
3.催化剂：
2.温度：
4.浓度：
200个大气压
600℃左右
N2、H2的再循环并及时补充N2和H2
——增大反应物的浓度
及时将氨冷却并从平衡气体中分离——降低生成物的浓度
锇作催化剂
产率为6%
合成氨工业化生产之路——博施面临的问题一
卡尔·博施
1874年8月27日-1940年4月26日
1931
nobel
prize
催化剂：
锇(Os)不稳定、有毒
铀(U)价格昂贵
铁触媒催化能力
博施面临的问题二
耐高压设备：
-受得住200个大气压的低碳钢，却害怕氢气的脱碳腐蚀。熟铁不含碳，不怕氢气的腐蚀，却没有强度，那该如何设计合成氨的反应塔呢？
Nobel
Prize
lecture
1931，Carl
Bosch
合成氨厂的实地照片
Haber-Bosch合成氨法总结
造气
压缩
合成
冷却
分离
未反应
N2
H2
液氨
合成氨的流程图：
How
a
century
of
ammonia
synthesis
changed
the
world,
Nature,
Geoscience,
2008.
Oct.
更多的思考……
哈伯与合成氨——是非功过
1918年诺贝尔奖获得者——发展了合成氨技术
第一次世界大战中德国毒气战的主要研究人员；
利用合成氨合成TNT用于战争
近一个世纪以来，含氮化肥产量达到100万亿吨/年
只有17万亿吨/年的氮肥被作物吸收利用，剩余进入了自然界氮循环
氮肥利用率80%降低为30%
2007
nobel
prize——有关合成氨的第三次诺贝尔奖
人工固氮的发展前景
化学模拟生物固氮
豆科植物根部长有根瘤，根瘤菌中存在固氮酶，所以豆科植物在常温常压下才能将空气中的氮气转化为氨。
固氮酶很怕氧，所以整个研究过程中必须严格无氧，这无疑给研究增加了难度。所以时至今日，固氮酶的固氮机理之谜还没解开。