2.4 工业合成氨（教学设计）化学沪科版2020选择性必修1

2.4 工业合成氨 一、知识目标 1.了解合成氨的发展历程，掌握合成氨反应的特点以及反应条件对反应速率和化学平衡的影响。 2.理解合成氨反应条件选择的依据，掌握合成氨的适宜条件，包括温度、压强、催化剂和浓度等。 3.熟悉合成氨生产的工艺流程，包括原料气的制备、净化除杂、压缩、合成、冷却分离和循环压缩等环节。 4.掌握化工生产中调控反应的一般思路，包括考虑反应的可行性、化学平衡、反应速率、设备可行性和成本核算等方面。 二、素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上了解合成氨工业的生产流程和条件，从微观上理解合成氨反应的原理和影响因素。 2.证据推理与模型认知：通过对合成氨反应条件的分析和选择，建立化工生产中调控反应的思维模型，培养证据推理能力。 3.科学探究与创新意识：了解合成氨发展历程中的困难和突破，体会科学探究的艰辛和创新的重要性。 4.科学态度与社会责任：认识合成氨工业对人类社会的重要贡献，同时关注其可能带来的环境问题，培养社会责任感。 一、教学重点 合成氨反应条件的选择依据、合成氨的适宜条件、合成氨生产的工艺流程、化工生产中调控反应的一般思路。 二、教学难点 理解合成氨反应条件选择时需要综合考虑反应速率、化学平衡、设备可行性和成本核算等多方面因素。 本节教学内容出自沪教版2020选择性必修1第二章《化学反应的方向、限度和速率》中的2.4《工业合成氨》课时1。该内容是在学生学习了化学反应速率和化学平衡等理论知识的基础上展开的，是化学原理在工业生产中的具体应用，具有很强的实践性和综合性，对于学生理解化学与工业生产的紧密联系，培养学生运用化学知识解决实际问题的能力具有重要意义。 教材首先介绍了合成氨的发展历程，让学生了解到合成氨技术的来之不易，激发学生的学习兴趣和探索精神。接着从化学反应的方向、速率和限度等角度，引导学生分析合成氨反应的特点，进而探讨工业合成氨生产条件的选择，这部分内容是本节课的重点，体现了化学原理对工业生产的指导作用。最后详细介绍了工业合成氨的生产流程，包括原料气的制备、净化除杂、压缩、合成、冷却分离和循环压缩等环节，使学生对工业合成氨有一个完整的认识。 教学对象为高二学生，他们已经具备了一定的化学基础知识，如化学反应速率、化学平衡等理论知识，这为本节课的学习奠定了基础。然而，学生对于化学原理在工业生产中的具体应用还缺乏深入的了解，在将理论知识与实际生产相结合的过程中可能会遇到困难。 在思维能力方面，初高中学生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，他们对直观、具体的事物比较容易理解，而对于抽象的化学原理和工业生产流程的理解可能存在一定的难度。因此，在教学过程中，需要通过具体的案例、数据和图表等方式，将抽象的知识形象化，帮助学生更好地理解和掌握。 此外，学生的学习主动性和自主探究能力还有待提高，在学习过程中可能需要教师的引导和启发。教师可以通过设置问题情境、组织小组讨论等方式，激发学生的学习兴趣和主动性，培养学生的自主探究能力和合作交流能力。同时，要关注学生的个体差异，根据学生的实际情况进行有针对性的教学，确保每个学生都能在原有基础上得到发展。 教学环节一 课堂导入 【生活实例引入】同学们，在日常生活中，我们常常会采取一些措施来调控化学反应。比如，为了延长食物的储存时间，我们会把食物放在冰箱里降温；为了防止铁制品生锈，我们会给它们刷上油漆；发生火灾时，我们会通过降低温度的方式来灭火。这些例子都体现了我们对化学反应进行调控，从而达到我们想要的结果。 【引出合成氨话题】研究化学反应速率与化学平衡，不仅能加深我们对化学反应的认识，更重要的是，在化工生产中，我们可以利用这些知识来调控反应，加快并优化所需反应，抑制不利副反应，进而提升产品的产量和质量，实现综合效益与化工技术的绿色化。今天，我们就以工业合成氨为例，来深入探讨化工生产中调控反应的思路和方法。 【展示合成氨重要性】大家知道吗，合成氨工业对于人类的发展至关重要。在20世纪以前，人类主要依靠生物固氮来获取氮肥，农业生产受到很大限制。直到后来合成氨技术的出现，才使人类摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，养活了数十亿人口。然而，合成氨的过程却充满了挑战和艰辛。 【介绍合成氨发展故事】1908年7月，德国化学家哈伯在实验室用氮气和氢气在600°C、20MPa下得到了氨，但是产率极低，只有6%。后来，卡尔·博施经过多年努力，改进了哈伯首创的高压合成氨催化方法，利用氧化铁型催化剂，使合成氨生产工业化，化学上称为“哈伯——博施法”。博施也因找到合适的催化剂，使合成氨反应成为工业化，获得了诺贝尔化学奖。但哈伯在一战中，任化学兵工厂厂长发明了化学武器（芥子、氯气等）用于战争，造成近百万人伤亡，他也因此遭人唾骂，被称为“天使与恶魔的化身”。从这个故事中，我们可以看到合成氨技术的发展历程充满了曲折。那么，工业合成氨到底应该选择怎样的生产条件呢？这就是我们今天要重点探讨的内容。 【设计意图】 1.激发学生兴趣：通过列举生活中常见的调控化学反应的实例，让学生感受到化学与生活的紧密联系，从而激发学生对化学学习的兴趣和好奇心，使学生更愿意投入到课堂学习中。 2.强调知识重要性：介绍合成氨工业对人类发展的重要意义，让学生认识到所学知识的价值，增强学生的学习动力和责任感。 3.引入化学史故事：讲述合成氨发展历程中的故事，为课堂增添了趣味性和人文色彩，同时也让学生了解到科学技术的发展并非一帆风顺，需要科学家们付出艰辛的努力，培养学生的科学精神和探索精神。 4.自然导入新课：从生活实例和合成氨的重要性过渡到合成氨生产条件的选择问题，自然地引出本节课的主题，让学生明确学习目标，带着问题去探索新知识，提高学习的针对性和主动性。 教学任务一 合成氨适宜生产条件的选择 活动一 合成氨发展历程引入 【情景引入】同学们，在20世纪以前，农业生产主要依靠天然氮肥，粮食产量受到很大限制。大家想象一下，如果没有足够的肥料，农作物生长不良，那我们的粮食供应将会面临多么严峻的挑战。而合成氨技术的出现改变了这一局面。让我们一起来了解一下合成氨的发展历程。 【师生活动】 教师展示合成氨发展历程及重要节点的相关图片和文字资料，包括生物固氮、德国A.弗兰克的氰化法、哈伯用锇催化剂合成氨、哈伯 - 博施法等内容。 教师介绍哈伯这位科学家，提到他既是第一个从空气中制造出氨气的科学家，使人类摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，养活了20亿人，获得诺贝尔化学奖；但同时在一战中，他任化学兵工厂厂长发明了化学武器，造成近百万人伤亡，是“天使与恶魔的化身”。 教师提问：“从合成氨发展历程来看，合成氨过程非常不易，那么工业合成氨生产条件应该如何选择呢？” 学生思考并尝试回答，可能提到要考虑反应的效率、产率等方面。 【设计意图】通过介绍合成氨的发展历程和哈伯的故事，引起学生的学习兴趣，让学生了解合成氨技术的重要性和发展的艰辛，同时培养学生辩证看待科学技术的意识。为后续探讨合成氨生产条件的选择做铺垫。 【针对训练1】合成氨技术的发明对人类社会的发展产生了深远影响。下列关于合成氨发展历程的说法错误的是（ ） A. 20世纪以前主要是生物固氮 B. 哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5 - 20MPa和500 - 600°C下直接合成氨 C. 哈伯 - 博施法中使用的是铁基催化剂 D. 卡尔·博施没有对合成氨技术做出贡献 【答案】D 【解析】卡尔·博施改进哈伯首创的高压合成氨催化方法，利用氧化铁型催化剂，使合成氨生产工业化，化学上称为“哈伯 - 博施法”，所以D选项说法错误。A、B、C选项均符合合成氨发展历程的事实。 活动二 合成氨反应条件与原理分析 - 判断化学反应进行的方向 【情景引入】我们知道，要把一个化学反应投入生产，需要考虑很多方面，比如反应进行的方向、生产的效率、产率等。下面我们从理论上分析一下合成氨反应进行的方向。 【师生活动】 教师展示自然固氮（雷电/大气/高能固氮：，，）和工业合成氨（，，）的反应方程式和相关数据。 教师提问：“根据所学的化学反应方向的判断方法，这两个反应在什么条件下能自发进行呢？” 学生思考并回答：自然固氮反应，，高温下反应能自发进行；工业合成氨反应，，低温下反应能自发进行。 教师展示不同温度下合成氨反应和反应的平衡常数数据，提问：“平衡常数与反应进行的程度有什么关系呢？” 学生回答：越大反应进行的越完全。 教师总结：从反应进行方向看，根据，时反应能自发进行；从反应限度看，合成氨反应值较大，反应进行的完全，方案在热力学层面可行。但科学家在实验室模拟发现，室温下将氮气、氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气，这说明反应速率过慢且产氨率较低（动力学层面）。 【设计意图】通过对比自然固氮和工业合成氨反应，让学生运用所学的化学反应方向和限度的知识进行分析，培养学生的分析和推理能力。同时引出反应速率和产氨率的问题，为后续探讨合成氨条件的选择做准备。 【针对训练2】已知反应，，。下列说法正确的是（ ） A. 该反应在任何温度下都能自发进行 B. 该反应在低温下能自发进行 C. 该反应在高温下能自发进行 D. 该反应不能自发进行 【答案】B 【解析】根据，，，当温度较低时，，反应能自发进行，所以B选项正确。 活动三 合成氨反应条件与原理分析 - 合成氨条件的选择 【情景引入】前面我们知道了合成氨反应在动力学层面存在反应速率过慢和产氨率较低的问题，那么我们应该如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量呢？ 【师生活动】 教师展示合成氨反应中浓度、温度、压强、催化剂对反应速率和平衡混合物中氨含量的影响表格，让学生分析。 教师提问：“从表格数据中，我们可以看出温度、压强对反应速率和氨含量分别有什么影响呢？” 学生回答：温度一定，随压强越大，反应速率增大，氨的含量升高；压强一定，随温度升高，反应速率增大，氨的含量逐渐降低。 教师展示不同温度和压强下合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量（体积分数）的数据表格，进一步让学生分析。 教师提问：“那么在实际生产中，压强和温度应该如何选择呢？” 学生讨论并回答，可能提到压强不能太大，因为对材料和设备要求高，成本大；温度不能太低，因为反应速率慢，也不能太高，会使催化剂活性减弱。 教师总结：合成氨厂一般采用的压强为20MPa - 50MPa，实际生产中一般采用的温度为400 - 500°C。同时，为了提高氨气的产量，还可以增大氮气浓度、液化氨气及时从混合物中分离出去，实际生产中维持氢氮比为2.8 - 2.9。 【设计意图】通过对表格数据的分析和讨论，让学生自己总结出温度、压强等条件对合成氨反应的影响，培养学生的数据处理和分析能力。同时引导学生考虑实际生产中的因素，选择适宜的反应条件，提高学生解决实际问题的能力。 【针对训练3】在合成氨反应中，下列说法正确的是（ ） A. 增大压强，反应速率减小，平衡向生成氨的方向移动 B. 升高温度，反应速率增大，平衡向生成氨的方向移动 C. 加入催化剂，反应速率增大，平衡，不移动 D. 增大氮气浓度，反应速率减小，平衡向生成氨的方向移动 【答案】C 【解析】增大压强，反应速率增大，平衡向生成氨的方向移动，A选项错误；升高温度，反应速率增大，但该反应是放热反应，平衡向逆反应方向移动，B选项错误；加入催化剂，能降低反应的活化能，反应速率增大，但不影响平衡移动，C选项正确；增大氮气浓度，反应速率增大，平衡向生成氨的方向移动，D选项错误。 教学任务二 工业合成氨的生产流程 活动一 原料气的制备 【情景引入】我们已经知道了合成氨适宜的反应条件，那么在实际生产中，合成氨的原料气是如何制备的呢？ 【师生活动】 教师介绍工业合成氨原料气中氮气和氢气的制备方法。对于氮气，有将空气液化、蒸发分离出氮气，以及将空气中的氧气跟碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳得到氮气两种方法；对于氢气，以天然气为原料制取氢气，反应可简单表示为，。 教师提问：“这两种制备氢气的方法在生产成本上有什么不同呢？” 学生回答：以天然气为原料制取氢气生产成本低，而另一种方法生产成本高。 【设计意图】让学生了解工业合成氨原料气的制备方法和成本差异，拓宽学生的知识面，同时让学生意识到在工业生产中要考虑成本因素。 【针对训练1】工业合成氨中，下列关于原料气制备的说法错误的是（ ） A. 氮气可以通过将空气液化、蒸发分离得到 B. 氢气可以用天然气为原料制取 C. 用碳和水反应制取氢气成本较低 D. 制备氢气的过程中涉及化学反应 【答案】C 【解析】用碳和水反应制取氢气成本较高，以天然气为原料制取氢气生产成本低，所以C选项说法错误。A、B、D选项均符合原料气制备的事实。 活动二 生产流程 【情景引入】了解了原料气的制备，接下来我们看看合成氨的整个生产流程是怎样的。 【师生活动】 教师展示工业合成氨的生产流程图，介绍生产流程为造气→净化除杂→压缩→合成→冷却分离→循环压缩。 教师详细讲解每个环节的作用：净化除杂是为了防止催化剂中毒；压缩是为了增加原料利用率；合成是在铁触媒、400 - 500°C、10MPa - 30MPa条件下进行；冷却分离是将氨气液化分离出来；循环压缩是让未反应的氮气和氢气经过循环反应，提高原料的转化率。 教师提问：“在整个生产流程中，哪个环节对提高原料利用率起到关键作用呢？” 学生回答：循环压缩环节。 【设计意图】通过展示生产流程图和详细讲解，让学生了解工业合成氨的完整生产流程，培养学生的工业生产流程意识和对化学知识的实际应用能力。 【针对训练2】在工业合成氨的生产流程中，下列说法正确的是（ ） A. 净化除杂环节主要是除去氢气中的杂质 B. 压缩环节的压强越大越好 C. 合成环节中催化剂的活性与温度无关 D. 循环压缩环节可以提高原料的利用率 【答案】D 【解析】净化除杂是为了防止催化剂中毒，除去原料气中的杂质，不只是氢气中的杂质，A选项错误；压缩环节压强不能太大，因为对材料和设备要求高，成本大，B选项错误；合成环节中催化剂的活性与温度有关，温度过高或过低都会影响催化剂活性，C选项错误；循环压缩环节可以让未反应的原料气再次参与反应，提高原料的利用率，D选项正确。 2.4 工业合成氨 一、合成氨反应条件与原理分析 （一）合成氨发展历程及重要节点 1.生物固氮 2.氰化法 3.Haber法 4.Haber - Bosch法 5.电化学方法等 （二）探究一：判断化学反应进行的方向 1.自然固氮：(N₂＋O₂ 2NO) (H＝＋180.5 kJ/mol) (S＝＋247.7 J/(mol∙K)) 2.工业合成氨：(N₂＋3H₂ 2NH₃) (H＝－92.2 kJ/mol) (S＝－198.2 J/(mol∙K)) 3.从反应进行方向和限度判断方案可行性 （三）探究二：合成氨条件的选择 1.影响因素对合成氨反应的影响 影响因素 增大反应速率 提高氨含量 浓度 增大 增大氮气浓度、液化氨气 温度 升高 降低（但实际考虑速率等因素） 压强 增大 增大 催化剂 加入铁触媒 无影响 2.实际选择条件 o温度：400 - 500°C o压强：20MPa - 50MPa o催化剂：铁催化剂 o浓度：增大氮气浓度、液化氨气 二、合成氨生产的工艺流程 （一）原料气的制备 1.氮气 o空气液化、蒸发分离 o氧气与碳反应除氧 2.氢气 o(CH₄＋H₂O(g) CO＋3H₂) o(CO＋H₂O(g) CO₂＋H₂) （二）生产流程 造气→净化除杂→压缩→合成→冷却分离→循环压缩 一、化工生产中调控反应的一般思路 1.可行性 2.化学平衡 3.反应速率 4.设备可行性 5.成本核算 1.下列有关合成氨工业的说法正确的是（ ） A. 工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温或常温时可自发进行 B. 恒容条件下充入稀有气体有利于NH₃的合成 C. 合成氨厂一般采用的压强为10MPa - 30Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最高 D. N₂的量越多，H₂的转化率越大，因此，充入的N₂越多越有利于NH₃的合成 【答案】A 【解析】A. 工业合成氨的反应方程式为(N₂ + 3H₂⇌2NH₃)，反应后气体分子数减少，是熵减小的反应，且(H<0)，根据(G=H - TS)，在低温或常温时(G<0)，反应可自发进行，A选项正确；B. 恒容条件下充入稀有气体，各物质的浓度不变，反应速率和化学平衡都不移动，不利于(NH₃)的合成，B选项错误；C. 合成氨厂一般采用20MPa - 50MPa的压强，是因为压强越大，反应速率越快，平衡越有利于向生成氨的方向移动，但压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，成本也越高，而铁触媒的活性最高的温度是400 - 500°C，与压强无关，C选项错误；D. 充入过多的(N₂)会使体系中(N₂)的含量过高，可能会导致设备利用率降低，成本增加，并非充入的(N₂)越多越有利于(NH₃)的合成，D选项错误。 2.某工业生产中发生反应：(2A(g)+B(g) ⇌M(g)H<0)。下列有关该工业生产的说法正确的是（ ） A. 工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成 B. 若物质B廉价易得，工业上一般采用加入过量的B的方式来提高A和B的转化率 C. 工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高 D. 工业生产中使用催化剂可提高M的日产量 【答案】D 【解析】A. 虽然增大压强平衡向正反应方向移动，有利于(M)的生成，但如果反应本身在常压下就能有较高的转化率，或者增大压强对设备要求过高、成本过大，就不一定采用高压条件，A选项错误；B. 加入过量的(B)，可以提高(A)的转化率，但(B)的转化率会降低，B选项错误；C. 该反应(H<0)，是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，反应物的转化率降低，C选项错误；D. 使用催化剂能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，从而提高(M)的日产量，D选项正确。 3.如图所示为接触法制硫酸的设备和工艺流程，其中关键步骤是(SO₂)的催化氧化：(2SO₂(g)+O₂(g) ⇌2SO₃(g)H<0)。下列说法正确的是（ ） A. 反应后气体分子数减少，增大反应容器内压强一定有利于提高生产效益 B. 反应放热，为提高(SO₂)转化率，应尽可能在较低温度下反应 C. 工业生产要求高效，为加快反应速率，应使用催化剂并尽可能提高体系温度 D. 沸腾炉流出的气体必须经过净化，并补充适量空气，再进入接触室 【答案】D 【解析】A. 增大压强虽然能使平衡向生成(SO₃)的方向移动，但对设备的要求会提高，成本增加，不一定能提高生产效益，A选项错误；B. 降低温度平衡向正反应方向移动，能提高(SO₂)的转化率，但温度过低，反应速率太慢，达到平衡所需时间过长，工业生产中不经济，B选项错误；C. 该反应是放热反应，温度过高会使平衡逆向移动，降低(SO₂)的转化率，所以不能尽可能提高体系温度，C选项错误；D. 沸腾炉流出的气体中含有杂质，会使催化剂中毒，所以必须经过净化，并补充适量空气，增大反应物(O₂)的浓度，使平衡正向移动，提高(SO₂)的转化率，D选项正确。 4.中国科学家在合成氨([N₂(g)+3H₂(g) ⇌2NH₃(g)H<0])反应机理的研究中取得新进展，首次报道了LiH - 3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理，如图所示。下列说法不正确的是（ ） A. 转化过程中有非极性键的断裂与形成 B. 复合催化剂降低了反应的活化能 C. 复合催化剂能降低合成氨反应的焓变 D. 低温下合成氨，能提高原料的平衡转化率 【答案】C 【解析】A. 合成氨反应中，(N≡N)非极性键断裂，(H - H)非极性键断裂，生成(N - H)极性键，同时在反应过程中可能存在非极性键的形成，A选项正确；B. 催化剂的作用是降低反应的活化能，从而加快反应速率，复合催化剂也不例外，B选项正确；C. 催化剂只能改变反应的活化能和反应速率，不能改变反应的焓变，焓变只与反应物和生成物的能量有关，C选项错误；D. 该反应(H<0)，是放热反应，降低温度平衡向正反应方向移动，能提高原料的平衡转化率，D选项正确。 5.常压下羰基化法精炼镍的原理为(Ni(s)+4CO(g) ⇌ Ni(CO)₄(g))。230°C时，该反应的平衡常数(K = 2×10⁻⁵)。已知：(Ni(CO)₄)的沸点为42.2°C，固体杂质不参与反应。 第一阶段：将粗镍与CO反应转化成气态(Ni(CO)₄)； 第二阶段：将第一阶段反应后的气体分离出来，加热至230°C制得高纯镍。 下列判断不正确的是（ ） A. 该反应达到平衡时，(v{分解}[Ni(CO)₄]=4v{消耗}(CO) B. 第一阶段应选择稍高于42.2°C的反应温度 C. 第二阶段，230°C时Ni(CO)₄分解率较高 D. 其他条件不变，增大c(CO)，平衡正向移动，该反应的平衡常数不变 【答案】A 【解析】A. 反应达到平衡时，正逆反应速率相等，根据化学计量数之比等于反应速率之比，应该是(4v{分解}[Ni(CO)₄]=v{消耗}(CO)，A选项错误；B. (Ni(CO)₄)的沸点为42.2°C，第一阶段要使(Ni(CO)₄)变为气态，应选择稍高于42.2°C的反应温度，B选项正确；C. 230°C时，该反应的平衡常数(K = 2×10⁻⁵)，说明平衡时(Ni(CO)₄)的浓度较小，即(Ni(CO)₄)分解率较高，C选项正确；D. 平衡常数只与温度有关，其他条件不变，增大(c(CO))，平衡正向移动，但平衡常数不变，D选项正确。 在本节课的教学中，通过合成氨的实例，引导学生理解化工生产中调控反应的思路，学生对合成氨的发展历程表现出了一定兴趣，能较好地理解反应条件对化学平衡和反应速率的影响。但在分析实际生产条件选择时，部分学生对综合考虑多种因素存在困难，后续需加强相关案例分析。在讲解生产工艺流程时，可利用动画等更直观的方式帮助学生理解。在今后教学中，应多结合实际生产案例，培养学生综合运用知识和分析问题的能力，同时注重引导学生关注化学工业的绿色化发展。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$