PAGE4化學反響條件的優化——工業合成氨教學目標知識與技能:了解如何應用化學反響速率和化學平衡原理分析合成氨的適宜條件；了解應用化學反響原理分析化工生產條件的思路和方法，體驗實際生產條件的選擇與理論分析的差異；通過對合成氨適宜條件的分析，認識化學反響速率和化學平衡的控制在工業生產中的重要作用。過程與方法:在化學反響的方向、限度、速率等理論為指導的根底上帶著學生選擇適宜的反響條件，引導學生考慮合成氨生產中動力、設備、材料生產效率等因素，尋找工業合成氨生產的最正確條件。情感、態度與價值觀:認識化學反響原理在工業生產中的重要作用，提升學生對化學反響的價值的認識，從而贊賞化學科學對個人生活和社會開展的奉獻。教學重點：應用化學反響速率和化學平衡原理選擇合成氨的適宜條件。教學難點：應用化學反響速率和化學平衡原理選擇合成氨的適宜條件。教學過程：【提問】影響化學反響速率和化學平衡的重要因素有哪些？【學生】答復【注意】催化劑只能改變化學反響速率，不能改變化學平衡狀態。【教師】今天這節課我們就看看如何利用化學反響的有關知識將一個化學反響實現工業化，我們以工業合成氨為例。首先我們看看合成氨的有關背景。【投影】展示弗里茨·哈伯的圖像【投影】弗里茨·哈伯與合成氨合成氨從第一次實驗室研制到工業化投產經歷了約150年的時間。德國科學家哈伯在10年的時間內進行了無數次的探索，單是尋找高效穩定的催化劑，2年間他們就進行了多達6500次試驗，測試了2500種不同的配方，最后選定了一種適宜的催化劑，使合成氨的設想在1913年成為工業現實。鑒于合成氨工業的實現，瑞典皇家科學院于1918年向哈伯頒發了諾貝爾化學獎。【投影并講解】化學熱力學化學熱力學化學動力學化學反響的方向化學反響的限度化學反響的速率工藝流程化學工藝學高壓對設備材質、加工制造的要求、溫度的催化劑活性的影響等合成氨反響能否自發怎樣能促使化學反響向合成氨方向移動怎樣能提高合成氨反響速率適宜的合成氨條件【交流·研討】P65合成氨反響是一個可逆反響:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)298K時:△H=-92.2KJ·mol—1，△S=-198.2J·K—1·mol—1請根據正反響的焓變和熵變分析298K下合成氨反響能否自發進行？298K下合成氨反響的平衡常數K為4.1×106〔mol·L—1)—2【學生】假設△H和△S不隨溫度變化，算得T<465.2K。【提問】觀察合成氨的化學反響，說明合成反響的特點：【投影】N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H＝-92.2kJ/mol(1體積)(3體積)(2體積)【學生】①可逆反響②熵減小的反響③正反響氣態物質系數減小④正反響是放熱反響【板書】第四節化學反響條件的優化——工業合成氨一、合成氨反響的限度【交流·研討】請利用化學平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成。P65【投影】NHNH3%0.30.20.11：11：21：31：41：51：6n(N2):n(H2)【學生答復】降低溫度、增大壓強有利于化學平衡向生成氨的方向移動，N2、H2體積比為1：3時平衡混合物中氨的含量最高。【板書】二、合成氨反響的速率【交流·研討】P661、你認為可以通過控制那些反響條件來提高合成氨反響的速率？2、實驗研究說明，在特定條件下，合成氨反響的速率與反響的物質的濃度的關系為:ν=κC(N2)C1.5(H2)C—1(NH3)，請你根據關系式分析：各物質的濃度對反響速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反響速率？3、請你根據下表所給的數據分析催化劑對合成氨反響速率的影響：催化劑對合成氨反響速率的影響條件△E/KJ/molk(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167【學生答復】1.升高溫度增大壓強增大反響物濃度使用催化劑2.增大N2、H2濃度,將氨及時從混合氣中別離出去3.使用催化劑可使合成氨反響的速率提高上萬億倍。【板書】三、合成氨的適宜條件【投影】合成氨的適宜條件的選擇外界條件使NH3生產得快使NH3生產得多速率分析平衡分析壓強高壓高壓溫度高溫低溫催化劑使用無影響反響物的濃度增大濃度增大濃度生成物氨的濃度減小濃度減小濃度【交流·研討】研討的內容研討的問題研討的結構1、既然增大壓強既可提高反響速率，又可提高氨的產量，那么在合成氨工業中壓強是否越大越好？壓強怎么定？2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動，那么生產中是否溫度越低越好溫度怎么選擇？3、催化劑對化學平衡的移動沒有影響，在合成氨工業中要不要使用催化劑，為什么？要不要用催化劑？【分析】1、壓強怎么選？①合成氨反響是氣態物質系數減小的氣體反響，增大壓強既可以增大反響速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強越大越好。②但是壓強越大，對設備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動力大，因此選擇壓強應符合實際科學技術。【結論】綜合以上兩點:根據反響器可使用的鋼材質量及綜合指標來選擇壓強。【分析】2、溫度怎么選擇？①因為正反響方向是放熱的反響，所以降低溫度有利于平衡正向移動。②可是溫度越低，反響速率越小，到達平衡所需要的時間越長，因此溫度也不宜太低。③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。【結論】綜合以上因素:實際生產中溫度一般選擇在700K左右〔主要考慮催化劑的活性〕。【分析】3、用不用催化劑？經濟效益和社會效益要求化學反響速度要快，原料的利用率要高，單位時間的產量要高。【結論】實際生產中選用鐵為主體的多成分催化劑〔鐵觸媒〕，它在700K時活性最高。【分析】4、濃度怎么定？N2和H2的比例怎么定？增大反響物的濃度可以增大反響速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動。從化學平衡的角度分析，在氮氣和氫氣的物質的量比為1：3時，平衡轉化率最大，但是實驗測得適當提高N2的濃度，即N2和H2的物質的量比為1：2.8時，更能促進氨的合成。【結論】實際生產中的處理方法：及時將氣態氨冷卻液化別離出去；及時將氮氣和氫氣循環利用，使其保持一定的濃度。【投影】研討的結果外部條件工業合成氨的適宜條件壓強根據反響器可使用的鋼材質量及綜合指標來選擇壓強溫度適宜溫度700K左右催化劑使用鐵觸媒作催化劑濃度N2和H2的物質的量比為1：2.8的投料比,氨及時從混合氣中別離出去【板書】合成氨的方程式〔注意條件〕【小結】【教師小結】工業上利用某可逆反響生產產品：1、一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學反響速率，提高生產效率，也提高了經濟效益；2、選擇適宜的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度；3、選擇適宜的壓強：既要考慮化學反響速率和化學平衡，還要考慮動力、材料、設備等。【教師】我國合成氨工業的開展情況：解放前我國只有兩家規模不大的合成氨廠；1949年全國氮肥產量僅0.6萬噸；2000年到達3363.7萬噸，成為世界上產量最高的國家之一。擁有多種原料、不同流程的大、中、小合成氨廠1000多家。【投影】合成氨的工業前景1、催化劑合成氨的鐵催化劑這一類合成氨催化劑以復原鐵為催化劑主要活性成分，并摻加各種促進劑和載體的催化劑.促進劑：稀土金屬及其氧化物關于稀土金屬及其氧化物的作用，我國也進行了一些研究。國外也報道了一些含釤、鋯、鈀、銠的催化劑研究結果，發現稀土金屬及其氧化物是對氨合成非常有效的促進劑。我國有豐富的鈦、鋯、鈮等稀有金屬資源，因此，以稀有金屬氧化物為促進劑，有希望成為我國改良工業合成氨的鐵催化劑的研究方向之一。合成氨的釕催化劑合成氨熔鐵型催化劑要在高溫、高壓和耗能高的苛刻條件下使用，且催化劑的活性并不是很高。而合成氨的釕催化劑可能是一種較好的催化劑。它在低溫低壓下活性很高，常壓下比合成氨的鐵催化劑的活性高10—20倍，且對水、CO和CO2不敏感，但合成氨的釕催化劑在高壓下未必比合成氨的鐵催化劑來得優越。2.化學模擬生物固氮現在，世界上好多國家〔包括我國〕的科學家，都在研究模擬生物固氮，即尋找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由兩種蛋白質組成。一種蛋白質〔二氮酶〕的分子量約22萬，含有兩個鉬原子、32個鐵原子和32個活性硫原子；另一種蛋白質〔二氮復原酶〕是由兩個分子量為29000的相同亞基構成的，每個亞基含有4個鐵原子和4個硫原子。已經發現一些金屬有機化合物有可能作為可溶性的固氮催化劑。3.超聲波固氮：氮氣在通常狀態下十分穩定，一般難以發生化學反響，但在超聲波作用下，可以使氮分子中的化學鍵削弱，從而在較溫和的條件下就可以發生化學反響。在室溫下用超聲波輻射溶有空氣的飽和水溶液后，可以測到處理過的水中含有亞硝酸、硝酸等；如果處理溶有氮氣、氫氣和一氧化碳的飽和水溶液，可以測到甲醛、氫氰酸和咪唑等物質，這些實驗對人工固氮的研究提供了一條新的途徑。【遷移應用】P70、2工業制造硫酸的主要反響為:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H=-197.8KJ/mol①SO3(g)+H2O(l)H2SO4(aq)②反響①的平衡常數K隨溫度升高而減小.所用催化劑的主要成分為V2O5(6％-12％)、K2SO4(17％-20％)、SiO2(50％-70％),能使催化劑中毒的物質有砷、硒、氟等.請根據以上信息討論二氧化硫氧化反響的工藝條件(溫度、壓強、原料氣配比等)對工業生產硫酸的影響.【投影材料】2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H＜0其實驗數據見表〔1〕應選用的溫度是450℃。〔2〕應采用的壓強是常壓，理由是因為常壓下SO2的轉化率已經很高，假設采用較大壓強，SO2的轉化率提高很少，但需要的動力更大，對設備的要求更高。〔3〕在生產中，通入過量空氣的目是。〔4〕原料氣必需