2.4 化学反应的调控 教学设计 -2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第二章 化学反应速率与化学平衡 第四节 化学反应的调控 一、指导思想与理论依据 本节内容引导学生运用化学反应速率和化学平衡原理知识，并考虑合成氨生产中动力、设备、材料等的实际情况，综合考虑经济效益和社会效益，合理地选择合成氨的生产条件。教学中通过利用化学反应速率和化学平衡移动原理对合成氨条件的选择，让学生体会理论与实际相结合的原则、“变化观念与平衡思想”的核心素养。通过讨论在实际生产中条件的选择，让学生体会“科学态度与社会责任” “宏观辨识与微观探析”的核心素养。通过总结工业生产中选择适宜条件的模型建构思路，让学生体会“证据推理与模型认知”的核心素养。 通过合成氨工业历史发展，教育学生要牢记习近平总书记对青年提出的希望，努力成为新时代需要的全能人才。 二、教学背景 1、教材分析 本节内容位于教材第二章第四节。学生已学习化学反应速率、化学平衡、化学反应的方向。已有一定的理论基础，将已有的理论基础用于实践，理论解决实际实际问题是本节课的宗旨。 2、内容分析 化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中具有重要的作用。工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。本节围绕合成氨这个调控化学反应的成功案例,从速率和平衡两个方向展开，引导学生讨论化学反应条件的选择与优化，进一步体会理论的指导意义，加深对所学理论的理解。 本节内容按照原理分析 联系实际 形成思路 研究概况这一顺序进行教学。 三、教学目标 1通过工业合成氨适宜条件的选择，认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。 2.在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路，体会化学反应原理的应用价值 四、教学重难点 1、重点：合成氨反应中的化学反应速率和化学平衡的综合调控。 2、难点：形成多角度调控化学反应的思路。 从已有的化学反应速率和化学平衡理论知识，结合设备、社会效益等方面讨论，最后得出多角度调控化学反应的思路。 五、教学方法： 趣味实验情境引入、讨论、总结归纳、观看视频 六、教学过程 【课程引入】介绍合成氨的发展过程引入课程。 “蜡烛熄灭”趣味小实验。为了延长食物储存时间，可以将它们保存在冰箱中。这些都包含了化学反应的调控 1898 年英国物理学家克鲁克斯“先天下之忧而忧”，率先发出“向空气要氮肥”的号召。 如何充分利用空气中的氮气获得氮肥？引入两个基本反应。 【学习任务一】选择合适的工业反应 工业上选择哪种方法进行固氮，你的理由是？请完成导学案 【学生活动】小组讨论交流并作出回答 N2(g)+O2(g) ⇌ 2NO(g) △H=+180.5kJ/mol ; △S=+247.7J·mol-1·K-1 常温下( 298K ), K=3.8×10-31 计算△G： N2(g)+3H2(g) ⇌ 2NH3(g) △H=-92.2kJ/mol; △S=-198.2J·mol-1 · K-1 常温下( 298K )，K=4.1×106 计算△G： 【学生交流】第二个反应的△G<0，反应能自发进行，且K更大，反应进行程度更大。 【归纳总结】在选择反应时，首先要考虑反应的方向和限度，根据△ G =△H－T△S 考虑反应方向，根据K考虑反应进行的限度问题，从而选择合适的反应。 【学习任务二】寻找工业合成氨的适宜条件 【学生活动】完成导学案的任务二 1、如你是合成氨的工程师，你如何为工厂设计合成氨的生产条件，结合我们所学的知识可以从哪些角度分析？ 2、【原理分析】根据合成氨反应特点，如何通过选择反应条件加快反应速率和提高平衡混合物中氨的含量，完成表格。 3、【数据分析】根据表格中的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。 【小组讨论交流并作出回答】教师及时补充拓展 【交流并总结】1、多 即提高氨的含量——化学平衡问题 快 即提高单位时间里氨的产量 ——化学反应速率问题 原料 N2: 空气中分离（液化，蒸发）； H2: 煤、焦炭与水蒸气 C+H2O(g)=CO+H2 设备安全、综合经济效益 2、原理分析： 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 【强调】实践是检验真理的唯一标准 3、从数据得出：温度越低，NH3%越大。压强越大，NH3%越大。 实验数据表明应采取的措施与理论一致。 【结论分析】①升高温度，氨的含量越低；这与反应速率是相矛盾的。 ②增大压强，氨的含量越高；这与反应速率是相一致的。 【学生活动】阅读课本，完成导学案的任务二 4、实际生产条件的选择 【小组讨论交流】 【学生交流，教师补充归纳总结】 （1）压强 理论上压强越大越好。但是压强越大,对材料的强度和设备的制造要求也越高,需要的动力也越大,这会加大生产投资,可能降低综合经济效益。所以压强的选择是成本与效益的综合考虑的结果。我国的合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa。 （2）温度 降低温度有利于平衡正向移动。温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。催化剂的催化活性在一定温度下才最大。目前，在实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃。 （3）催化剂 【原理】使用催化剂能改变反应历程，降低反应活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。目前合成氨工业中普遍使用的是铁触媒。铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400~500℃进行的重要原因。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”,原料气必须经过净化。使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。 （4）浓度 【原理】采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。此外，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔发生反应也是很不经济的，应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应。 【教师讲解】热交换和冷却的作用，体会工业流程操作对反应的调控。 图2：NH3的平衡体积分数随投料比变化的曲线 为了增大反应物的转化率和反应速率，n(N2):n(H2)=1 : 2.8 最优 【教师小结归纳】工业合成氮的适宜条件的归纳 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 10 MPa～30 MPa 温度 400～500 ℃ 催化剂 使用铁触媒做催化剂 浓度 N2和H2的投料比为1∶2.8，及时分离氨，原料气循环使用 【学习任务三】合成氨的研究历史和发展情景 【学生活动】阅读课本，完成导学案的任务三 1、“合成氨”过程中三次诺贝尔化学奖获得者以及主要成果有哪些？ 2、你从工业合成氨的发展中能获得什么启示？ 【小组讨论交流并作出回答】 1、 哈伯（1918年）合成氨的基础开发工；博施（1931年）实现了合成氨的工业化； 埃特尔（2007年）揭开了合成氨的“天机”。 2、工业合成氨的过程是科学家们不懈努力的辛苦的过程。的成功取得需要付出很大的努力，我们在今后的学习过程中也要向他们学习，不断探索研究。 【学习任务四】化学反应的调控的基本原则 【讲解】化学反应的调控就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 明确目的 确定反应 原理分析 实验摸索 最佳效果 【学生活动】阅读课本，完成导学案的任务四 【小组讨论交流并作出回答】 影响因素 有利于加快反应速率的控制 有利于平衡正向移动      的条件控制 综合分析结果 浓度 增大反应物浓度  增大反应物浓度、 减小生成物浓度 不断补充反应物、 及时分离出生成物 压强 高压(有气体参加) 气体体积减小 设备条件允许的前提下， 尽量采取高压 气体体积增大 兼顾速率和平衡， 选取适宜的压强 温度 高温 ΔH<0 兼顾速率和平衡， 考虑催化剂的适宜温度 ΔH>0 在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性 催化剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂 【课堂小结】学生小结本节课内容 本节课从固氮出发，利用化学反应的方向和反应限度选择工业合适反应，重点从反应速率和化学平衡理论结合工业实践设备条件等选择出工业合成氨的适宜条件，了解工业合成氨的研究历史。最后总结出工业对化学反应的调控的基本思路和原则。 【学习评价】 1． 在硫酸工业中,通过下列反应使氧化成SO3 : 2SO2(g)+O2(g) ⇌ 2SO3(g)　ΔH=-198 kJ·mol-1。(已知催化剂V2O5是在400~500 ℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%): 温度　　　　　　 平衡时SO2的转化率/％ 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 （1）根据化学理论分析,为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫,应选择的条件是什么? （2）在实际生产中,选定400~500 ℃作为操作温度,其原因是什么? （3）根据上表中的数据分析,制取SO3时为什么不采用高压? （4）在生产中,通入过量空气的目的是什么? （5）尾气中的SO2必须回收的目的是什么? 【课后作业】 1、课本51页习题 2、课后调查：合成氨的发展前景 （1）常温常压下直接合成氨，相较于热催化能耗更低。查阅资料了解电化学催化合成氨的技术发展。 （2）合成氨除了应用于化肥生产，还有什么用途？ 七、板书设计 一、选择工业合适的反应 N2+3H2⇌2NH3 ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。 二、工业合成氨最佳条件的选择 1、理论分析 2、数据分析 3、工业合成氨的最佳条件： 压强：10~30 MPa；温度：400~500 ℃；催化剂：铁触媒 浓度：N2和H2的投料比为1∶2.8，及时分离氨，原料气循环使用 三、合成氨的研究历史和发展情景 四、化学反应的调控的基本思路和原则 8 / 8 学科网（北京）股份有限公司 $$