原創(chuàng)《合成氨條件的選擇》網(wǎng)絡(luò)課教案

教學(xué)目的： 1．知識目標(biāo)：使學(xué)生理解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理，選擇合成氨工業(yè)的適宜條件；了解應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。 2．能力目標(biāo)：通過運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理選擇合成氨工業(yè)的適宜條件，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力以及對所學(xué)理論的應(yīng)用能力。 3．情感目標(biāo)：通過對合成氨工業(yè)的展望，激發(fā)學(xué)生熱愛祖國、刻苦學(xué)習(xí)的激情。 重點(diǎn)：應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理選擇合成氨工業(yè)的條件。 難點(diǎn)：使學(xué)生理解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理，選擇合成氨工業(yè)的適宜條件。 課時(shí)安排：一課時(shí) 教學(xué)方法： 1．通過復(fù)習(xí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)的有關(guān)知識，啟發(fā)學(xué)生得出應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和依據(jù)，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，討論合成氨工業(yè)的適宜條件。 2．通過校園網(wǎng)絡(luò)的平臺，觀看合成氨的錄像，使學(xué)生了解濃度對合成氨的影響及原料氣的循環(huán)使用等問題。 3．通過校園網(wǎng)，閱讀有關(guān)合成氨的歷史，展望合成氨的未來。使學(xué)生明確化工生產(chǎn)條件并非一成不變的，激勵(lì)學(xué)生為選擇更好的合成氨條件而努力學(xué)習(xí)。 教具準(zhǔn)備： 合成氨錄像，合成塔模型，學(xué)校校園網(wǎng)。 教學(xué)過程： 討論問題： 化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用于化工生產(chǎn)應(yīng)考慮哪兩方面的問題？ 學(xué)生討論并總結(jié)，同時(shí)展示下列框圖。 化學(xué)反應(yīng)快慢，即化學(xué)反應(yīng)速率 化工生產(chǎn) 化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度，即化學(xué)平衡 討論問題： 1．影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素有哪些？ 2．要使一個(gè)化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)，可改變哪些條件？ 3．在化工生產(chǎn)上選擇生產(chǎn)條件，離不開化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的有關(guān)知識，我們這一節(jié)課就學(xué)習(xí)、探討合成氨的條件。 板書：　　　　　　　第四節(jié)　合成氨條件的選擇 提問并投影：工業(yè)合成氨的化學(xué)原理？ 　　　　　　N2　＋　3H2�。剑剑健�2NH3 討論：此化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)？ 投影： 　　　　　　　　　　　　　　可逆反應(yīng) 合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)　　　　正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng) 　　　　　　　　　　　　　　正反應(yīng)是放熱反應(yīng) 討論： 1．此反應(yīng)在通常條件下容易進(jìn)行嗎？（從物質(zhì)結(jié)構(gòu)上考慮） 2．如果你作為一個(gè)合成氨工廠的技術(shù)人員，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，即提高氨氣的產(chǎn)量，你首先要考慮什么問題？ 3．討論總結(jié)：①加快化學(xué)反應(yīng)速率，②提高NH3在平衡混合氣中含量，③可采取哪些措施，請?zhí)顚懴铝斜砀?　　　　　　　　目的 條件　　　　選擇 使NH3生成得快 （從速率分析） 使NH3生成得多 （從平衡分析） 壓強(qiáng) 增大壓強(qiáng) 增大壓強(qiáng) 溫度 升高溫度 降低溫度 催化劑 使用催化劑 無影響 濃度 增大反應(yīng)物濃度 增大反應(yīng)物濃度 減低反應(yīng)物濃度 根據(jù)上表和化工生產(chǎn)的實(shí)際情況，來分析合成氨的適宜條件 板書：一、成氨條件的選擇 組織學(xué)生討論，并可閱讀課文以及下列閱讀材料，充分發(fā)表意見，總結(jié)歸納出合成氨的條件。 閱讀材料：1   選擇壓強(qiáng)時(shí)主要考慮下列幾個(gè)因素： 設(shè)備材料的強(qiáng)度和制造要求。 壓強(qiáng)過高會增加投資，降低經(jīng)濟(jì)效益。 適宜壓強(qiáng)是20Mpa――50MPa 閱讀材料2   選擇溫度時(shí)主要考慮下列幾個(gè)因素： 在該溫度下反應(yīng)速率較快。 在該溫度下平衡轉(zhuǎn)化率較高 在該溫度附近，催化劑活性最大。 閱讀材料3 合成氨催化劑的選擇歷史： 合成氨催化劑鐵觸媒發(fā)現(xiàn)是經(jīng)過大量科學(xué)家的努力。最初是1909年德國化工專家哈伯發(fā)現(xiàn)了鋨催化劑，但鋨是貴金屬，以鋨為催化劑不利于氨合成的普及。后來有人建議用天然礦石作催化劑試驗(yàn)，因?yàn)楹铣砂笔窃诟邷�、高壓下進(jìn)行的，有還原性氣氛（H2＝）的存在，就可使礦石中金屬氧化物發(fā)生還原反應(yīng)生成多種金屬的復(fù)雜物質(zhì)可能具有催化性能。真是“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費(fèi)工夫”，德國化學(xué)家波施在大量試驗(yàn)礦石的過程中發(fā)現(xiàn)，使用瑞典磁鐵礦能取得相當(dāng)滿意的氨產(chǎn)量。經(jīng)過分析瑞典磁鐵礦和進(jìn)一步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最好的催化劑就是純鐵和百分之幾的氧化鋁、少量的鉀堿和石灰熔合，其組成與瑞典磁鐵礦相似，現(xiàn)在全世界所有的合成氨催化劑都是依據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)制備的，只是性能和結(jié)構(gòu)更趨于逢穩(wěn)定和合理。 板書： 1．壓強(qiáng)：20Mpa――50MPa 2．溫度：適宜500℃ 3．催化劑：鐵觸媒 問題討論： 1．工業(yè)上在上述溫度、壓強(qiáng)、催化劑條件下，可使平衡混合物中NH3含量達(dá)到多少呢？ 請大家閱讀課文（回答：約26．4%） 2．可見，NH3的產(chǎn)率并不高，那么還可以進(jìn)一步采取什么措施來提高NH3的產(chǎn)量呢？ 觀看錄像：合成氨工業(yè)流程 （注意觀察工業(yè)上為了提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，在濃度方面采取了什么措施，在什么設(shè)備中進(jìn)行？設(shè)備特點(diǎn)如何？氣體在其中如何流動(dòng)？） 師生共同得出結(jié)論：①把NH3液化分離。 ②N2和H2循環(huán)使用，及時(shí)補(bǔ)充。 ③N2與H2的加入比例保持1:3　 展示合成氨工業(yè)中合成塔模型： 注意三點(diǎn)：①耐高壓厚壁。②有厚層的催化劑。③存在熱交換器 過渡：那么這樣的設(shè)備是否是合成氨最好的設(shè)備？它是怎樣演變來的？ 板書：二、合成氨工業(yè)的發(fā)展史及合成氨工業(yè)的發(fā)展前景 1．回顧合成氨催化反應(yīng) 20世紀(jì)初驚心動(dòng)魄的化學(xué)反應(yīng)莫過于合成氨反應(yīng)，當(dāng)時(shí)合成氨反應(yīng)對外界的震撼力不亞于現(xiàn)今的“超導(dǎo)材料”和“碳60”。那時(shí)，從兩河流域到歐洲平原，從西奈半島到非洲全境，從喜馬拉雅山脈北麓到東海之濱廣袤的土地上，最需要的是水分和氮肥， 在19世紀(jì)，人們就知道合成氨反應(yīng)在熱力學(xué)上是可行的，尋找合適的催化劑是當(dāng)時(shí)化學(xué)工作者最迫切的任務(wù)。 1909年7月2日，德國化工專家哈伯(Fritz Haber)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首先用金屬鋨粉作催化劑，在高溫高壓設(shè)備中成功地生產(chǎn)出90g氨，全世界為之震驚,他因此獲得了1919年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。BASF（Badische Anilin und Soda Fabrik）公司為了開發(fā)合成催化劑，搶先預(yù)訂了全世界所有金屬鋨的購買權(quán)，總量約100kg，并出資幫助此項(xiàng)研究工作，這足以看出當(dāng)時(shí)BASF公司開發(fā)合成氨催化劑的決心之大、信心之足、心情之迫切。 隨后不長時(shí)間，哈伯被推選擔(dān)任在柏林新建立的物理化學(xué)與電化學(xué)研究所所長。BASF公司把研究合成氨催化劑的工作交給Alilin Mittasch。他并沒有一頭扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，而是對過去的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面分析，對幾百種試驗(yàn)的催化劑進(jìn)行分類和總結(jié)，竟然大膽地沖破許多權(quán)威理論的思想束縛，提出了一個(gè)未經(jīng)證明的科學(xué)假設(shè)，即： 1．尋找合適的催化劑必須用相當(dāng)多的元素和大批添加劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 2．催化反應(yīng)要像哈伯的實(shí)驗(yàn)一樣，必須在高溫和高壓條件下進(jìn)行。 3．需要進(jìn)行極大量的成套實(shí)驗(yàn)。 他們的研究隊(duì)伍依據(jù)這樣的理論假設(shè)，著手實(shí)驗(yàn)。從1909年到1912年的短時(shí)間內(nèi)，完成的實(shí)驗(yàn)是驚人的，在2500個(gè)催化劑上大約進(jìn)行了6500次試驗(yàn)。試驗(yàn)的次數(shù)超過了1萬次，完成了4000多個(gè)不同體系的研究工作。與此同時(shí)，全世界至少有30多個(gè)國家，幾百個(gè)研究機(jī)構(gòu)也都進(jìn)行尋找和開發(fā)合成氨催化劑的研究工作，真可謂上如火如荼的時(shí)代。 然而，以貴金屬（金屬鋨等）為主要催化劑，再添加其他化合物與元素的研究工作成效不大。根據(jù)Mittasch的假設(shè)，有人建議用天然礦石作催化劑試驗(yàn)，因?yàn)楹铣砂笔窃诟邷亍⒏邏合逻M(jìn)行的，有還原性氣氛（H2＝）的存在，就可使礦石中金屬氧化物發(fā)生還原反應(yīng)生成多種金屬的復(fù)雜物質(zhì)可能具有催化性能。真是“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費(fèi)工夫”，德國化學(xué)家波施（Bosch）在大量試驗(yàn)礦石的過程中發(fā)現(xiàn)，使用瑞典磁鐵礦能取得相當(dāng)滿意的氨產(chǎn)量。 經(jīng)過分析瑞典磁鐵礦和進(jìn)一步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最好的催化劑就是純鐵和百分之幾的氧化鋁、少量的鉀堿和石灰熔合，其組成與瑞典磁鐵礦相似，現(xiàn)在全世界所有的合成氨催化劑都是依據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)制備的，只是性能和結(jié)構(gòu)更趨于逢穩(wěn)定和合理。 在1913年9月9日，實(shí)現(xiàn)氨生產(chǎn)的工業(yè)化，興建的裝置是用285mm直徑的反應(yīng)器，催化劑體積為90L，在200Pa壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，起始氨的日產(chǎn)量只有3t－5t，但是生產(chǎn)量逐漸增加，到1917年由Haber－Bosch生產(chǎn)過程所生產(chǎn)的氨年產(chǎn)量已超過60000t。 人們對合成氨反應(yīng)的研究堪稱世界第一反應(yīng)，時(shí)至今日仍然有許多科學(xué)家對合成氨催化劑的結(jié)構(gòu)、性能、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)作更深的研究工作。在化學(xué)界把合成氨反應(yīng)看成經(jīng)典反應(yīng)，任何一個(gè)催化新理論，任何一個(gè)催化動(dòng)力學(xué)模型，任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的新概念，都要用合成氨反應(yīng)來檢驗(yàn)和證明。 今天，在世紀(jì)之交的關(guān)鍵時(shí)刻，回顧上世紀(jì)最重要的化學(xué)反應(yīng)之一――合成氨反應(yīng)這一段歷史，緬懷為開發(fā)合成氨反應(yīng)的先驅(qū)們那種百折不撓的精神，對學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)、理解化學(xué)反應(yīng)、應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)和發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)起都是非常有益的，對我們的學(xué)習(xí)工作都有所幫助。 2．展望合成氨的發(fā)展前景 問題：通過上述討論，如果你是一位工程師，你想采取什么措施，來進(jìn)一步提高氨的產(chǎn)量和降低合成氨的成本？ ①研究新的能承受高壓的材料， ②研制新的能為生高壓的設(shè)備 ③研制合成新的低溫催化劑。 閱讀材料： 1．合成氨條件的選擇是與科學(xué)進(jìn)步、動(dòng)力、材料、設(shè)備等有密切關(guān)系的。隨著科技的發(fā)展，動(dòng)力、材料、設(shè)備將得到不斷的改善，可采用更高的壓力，從而提高N2與H2的轉(zhuǎn)化率，增大氨氣的為率。 2．目前一些科學(xué)家正努力新的催化劑，試圖在較低的溫度下進(jìn)行合成氨反應(yīng)，如果新的催化劑研制成功，那么，不但能大大加快合成氨在低溫下的反應(yīng)速率，而且能提高原料氣的轉(zhuǎn)化率，還能減緩生產(chǎn)中對壓強(qiáng)的要求，減少設(shè)備制造的投資。 3．化學(xué)模擬生物固氮也是科學(xué)家致力研究的方向。 　　　某些豆科類植物的根部有根瘤菌共生，根瘤菌能起固氮作用，即攝取空氣中氮?dú)獠⑹顾�轉(zhuǎn)化成氨氣等，從而被植物直接吸收，這就叫做生物固氮的現(xiàn)象。生物固氮現(xiàn)象是在常溫常壓下進(jìn)行的，實(shí)際是地球上氮?dú)夤潭�，絕大部分是通過生物固氮進(jìn)行的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界工業(yè)合成氮肥中的氮只占固氮總量的20%，那么，人們能不能向大自然學(xué)到這種本領(lǐng)呢？這就需要研究如何模擬生物固氮的功能，把生物固氮的原理應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)，借以改善現(xiàn)

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