34 第四板块 层级Ⅲ 活动项目(一) 合成氨的昨天——回顾历史，追溯探索的历程（Word教参）-【新高考方案】2024年高考化学二轮复习专题增分方略（新教材Ⅰ）

项目价值 活动目标 　　本项目不仅呈现“过去完成时”(合成氨的历史进程)，还有“现在进行时”(合成氨的前沿动态)，更有“一般将来时”(合成氨的未来展望)；学生的角色经历从“历史回顾者”到“现实见证者”再到“未来设计者”的蜕变。基于真实的学术探索情境，基于“讲理”的学习过程，经历微观探析、证据推理、模型建构等学习活动，学生深刻认识到化学始终与社会发展相伴随行，在社会发展的历史洪流中，每一个化学人的探索，都在构筑人类文明进步的阶梯。 活动项目(一)　合成氨的昨天——回顾历史，追溯探索的历程 设计意图：通过回顾“合成氨的昨天”让学生体会到在当时的历史背景下，哈伯优化合成氨的条件何其艰辛，从理论到实际，渗透的是百折不挠的科学精神，培养的是勇于担当的责任意识。通过换位思考、技术优化等活动，让学生感受到合成氨“高温高压催化剂”短短七个字的反应条件是何其厚重。 19世纪初，世界人口快速增长，民以食为天，提升粮食产量迫在眉睫。氮肥对粮食增产至关重要，英国科学家克鲁克斯呼吁科学界“向空气要氮肥”，自此合成氨反应引发了广泛的关注。 (一)理解合成氨的反应原理 常见的固氮反应如表所示。常见固氮反应的热力学数据。 固氮反应 ΔH(298 K)/ (kJ·mol－1) ΔS(298 K)/(J·K－1·mol－1) K(298 K) ①N2(g)＋O2(g)2NO(g) ＋180.5 ＋24.774 5.0×10－31 ②N2(g)＋3H2O(g) 2NH3(g)＋1.5O2(g) ＋633.6 －64.6 1.0×10－120 ③N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) －92.3 －198.2 4.1×106 结合数据，说明选用N2和H2反应进行人工固氮的理由。 提示：由ΔG＝ΔH－TΔS可知：ΔG1＝180.5－≈173.12 kJ·mol－1，ΔG2＝633.6－≈652.85 kJ·mol－1，ΔG3＝－92.3－≈－33.24 kJ·mol－1。 反应①和②均很难自发进行，反应③常温下即可自发进行。反应③的平衡常数约为反应①的1037倍、反应②的4×10126倍，故反应③正向进行的趋势远大于反应①和②，应选择N2和H2合成氨以实现人工固氮。 (二)探索合成氨的最佳条件 1．德国化学家哈伯在实验室摸索出合成氨的条件，使之初具工业化价值，因此获得1918年诺贝尔化学奖。假如你是哈伯，请从热力学和动力学的角度为工业合成氨选择适宜的反应条件。 提示：①为了提升氨的平衡产率，应降温、加压、及时移去反应生成的氨气。②为了提升氨的生成速率，应升温、加压、选择高效的催化剂。 2．推测哈伯在当时特定的历史条件下会遇到怎样的困难？ 提示：①高产率和高速率所需的温度条件相互矛盾，鱼和熊掌难以兼得。②高压力条件对设备性能、生产成本提出了极高的挑战。③催化剂的筛选应该并不容易，还需考虑温度对催化剂性能的影响。 3．实践是检验真理的唯一标准。科学家为了优化合成氨的反应条件，进行了大量的实验，得到了丰富的数据样本。请解读图1、图2数据，选择最优反应条件。 提示：由图1可知，在一定的温度和压强下，氮氢比约为1∶3时，平衡时氨的体积分数最高；从图2可知，在其他条件相同时，提高压强、降低温度有利于提高平衡时氨的体积分数，500 atm、400 ℃下，氨的体积分数超过60%。 4．假如你是工厂厂长，将哈伯的实验室专利投入工业生产需要关注哪些问题？(开放性问题，合理即可) 提示：①首先关注生产安全，高温高压环境容易造成安全隐患。②关注生产成本的控制，如果一味追求产率而降低温度，反应速率极低，合成氨的日产量趋于零，工业生产就失去了意义。③不能以牺牲环境为代价换取利润，应尽可能降低能耗，做到环境友好。 [类题迁移] 1．(2023·凉山州安宁河联盟期中)工业合成氨是重要的人工固氮的方式，在一个恒容容器中充入N2(g)和H2(g)，一定条件下发生反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，若温度保持不变，下列说法正确的是(　 ) A．当充入足够N2(g)后，H2(g)会全部转化 B．升温可以加快化学反应速率故工业合成氨时温度越高越好 C．正、逆反应速率相等时，N2与H2浓度比一定是1∶3 D．通过调控反应条件，可以提高该反应进行的程度 解析：选D　N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)是可逆反应，当充入足够N2(g)后，H2(g)不会全部转化，故A错误；升温可以加快化学反应速率，但温度过高催化剂活性降低，反应速率会减慢，且正反应放热，升高温度不利于氨气生成，故B错误；正、逆反应速率相等时，反应达到平衡状态，但N2与H2浓度比不一定是1∶3，故C错误；增大压强，平衡正向移动，反应进行程度增大，故D正确。 2．(2023·顺德区