2.4 化学反应的调控（教学设计）化学人教版选择性必修1

该高中化学教学设计聚焦化学反应的调控核心知识，以工业合成氨为载体，通过冰箱储食物、灭火等生活实例导入，引导学生感知调控普遍性，再衔接合成氨反应特点分析，搭建从生活到工业、理论到应用的学习支架。 此资料以任务驱动引导学生从工程师视角分析合成氨条件，结合速率与平衡理论及设备成本、催化剂活性等实际因素，融入化学史与我国科研成果，体现科学思维与科学态度。通过表格分析、数据验证、流程讨论等方法，帮助学生形成化工条件选择模型，提升学生探究能力，助力教师高效落实核心素养教学。

第四节 化学反应的调控 第1课时 化学反应的调控 年级 高二 学科 化学 课型 新授课 教材 人教版选择性必修1 第二章 第四节 第1课时 教学目标 1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。 2.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。 教学重点 1.化学反应速率和化学平衡的综合调控方法； 2.工业合成氨适宜条件的分析与确定。 教学难点 1.统筹兼顾速率、平衡、生产成本、设备要求等多重因素，掌握化工生产条件选择的一般思路与方法； 2.工业合成氨适宜条件的分析与确定。 教材分析 本节教学内容源于新课标人教版（2019年版）高中化学选择性必修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》的第一课时，是化学反应速率与化学平衡理论在工业生产中落地应用的重要载体，兼具巩固理论知识、培养实践应用能力的双重价值，对发展学生“变化观念与平衡思想”“科学态度与社会责任”的核心素养有着不可替代的作用。 按照课标要求，本课时以工业合成氨为研究载体，内容编排遵循“生活实例引入-反应特点分析-理论条件推导-实际条件优选-通用思路总结”的逻辑：先以冰箱储存食物、灭火的生活场景让学生感知化学反应调控的普遍性，再围绕合成氨反应，引导学生从反应速率、化学平衡两个维度分析条件选择的异同，结合设备成本、催化剂活性、经济效益等实际约束筛选出合成氨的适宜条件，最后梳理出化学反应调控的通用考量维度。教材配套的数据分析、思考讨论、典例习题环节，能够有效引导学生从“会做理论题”转向“会解决实际问题”，为后续其他化工生产问题的分析奠定方法基础。 学情分析 教学对象为高二学生，已经系统学习了化学反应速率的影响因素、化学平衡移动原理、平衡转化率计算等相关知识，能够独立分析单一变量对反应速率或平衡状态的影响，具备基本的逻辑推理能力，对工业生产的真实应用场景有较强的探究兴趣。 但学生的思维仍存在明显局限性：一是习惯单一维度分析问题，难以兼顾反应速率和平衡转化率的双重要求，对二者存在冲突的条件（如温度的选择）容易出现判断偏差；二是思考问题偏向纯理论推导，对工业生产中的设备造价、动力成本、催化剂活性、生产效率等实际制约因素缺乏认知，尚未建立“理论分析-实际约束-综合决策”的化工条件选择思维模型。教学中需以任务驱动的方式，引导学生站在工程师的视角逐步推导，在理论与实际的冲突中突破认知误区，形成系统的分析思路。 教学过程 教学内容 设计意图 课堂导入 【互动提问】同学们，上课前咱们先聊两个生活里的常见场景哦：第一个，家里吃不完的饭菜、新鲜的果蔬，我们一般都会放到冰箱冷藏保存，大家知道这背后的原理是什么吗？第二个，如果遇到火情，我们常用的灭火方法有哪些呢？（给1-2分钟时间鼓励学生举手发言，引导学生总结出：冰箱低温可以减慢食物腐败的反应速率，灭火是通过隔离可燃物、降低温度、隔绝氧气等方式阻止燃烧反应发生） 【总结过渡】大家分析得都非常准确！你看，不管是减慢食物变质的速率，还是阻止燃烧反应发生，本质上都是我们在对化学反应进行调控，这类调控在生活中随处可见。而在化工生产领域，化学反应的调控更是直接决定了生产的效益和价值，其中最经典的案例就是工业合成氨：大家知道吗？合成氨技术被称为20世纪最伟大的化学发明之一，它让人工固氮成为现实，直接推动全球粮食产量翻了数倍，养活了数十亿人口，前后共有3次诺贝尔奖颁发给了和合成氨相关的研究。那如果现在你是合成氨工厂的工程师，你要怎么选择反应条件，既能让氨的生成速率足够快，又能尽量提高原料的利用率呢？今天咱们就结合之前学过的化学反应速率和化学平衡知识，一起来探索化学反应的调控思路，解锁工业合成氨的适宜条件。 1.贴近生活降低门槛，激发参与兴趣：从学生非常熟悉的冰箱存食物、灭火的生活场景切入，互动提问能快速调动学生的表达欲，让学生意识到“化学反应调控”不是抽象的化工术语，就存在于日常生活中，降低新知识的认知门槛。 2.凸显学科社会价值，引发探究好奇心：通过介绍合成氨技术对粮食安全的重大意义、相关诺贝尔奖的化学史，让学生直观感受到化学原理对生产生活的巨大价值，同时引发学生对“如何选择合成氨条件”的好奇心，主动进入探究状态。 3.任务驱动衔接新课：最后抛出“工程师设计合成氨条件”的核心任务，刚好承接本节课的两个核心学习模块：合成氨的原理分析、适宜条件选择，让学生带着明确的任务驱动后续学习，提升课堂参与的主动性。 环节一工业合成氨的原理分析 任务一 如果你是工程师，如何设计合成氨的条件呢？从哪些角度分析？ 【引入】我们在生活中经常会有意识地调控化学反应：比如把食物放进冰箱延长储存时间，灭火时采取隔离可燃物、隔绝空气、降温的措施，这些都是对化学反应进行调控的实例。工业生产中我们更需要通过调控反应，提高生产效率、降低成本，本节课我们就以合成氨工业为例，学习化学反应的调控方法。 【教师提问】请大家思考：冰箱储存食物、灭火的措施分别是通过改变哪些条件调控反应的？调控的目的分别是什么？ 【学生思考】学生讨论后回答： 1.冰箱降低温度，减慢食物变质的反应速率，目的是减慢不利反应的速率； 2.灭火时隔离可燃物是减小反应物浓度、隔绝空气是减少反应物氧气、降温是降低温度，目的是使燃烧反应停止，阻止不利反应发生。 【讲解】评价学生回答，强调：化学反应调控的核心就是根据反应特点，改变外界条件，使有利的反应更快、转化率更高，不利的反应被抑制。工业上最经典的调控案例就是合成氨工业，它解决了全球几十亿人的粮食问题，是20世纪最重大的化工发明之一。 知识总结 一、工业合成氨的原理分析 1.合成氨反应的特点 (1)反应：合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJmol－1，ΔS＝－198.2 Jmol－1K－1。 (2)特点： ①可逆反应 ②放热反应：ΔH<0 ③熵减的反应：ΔS<0 ④常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 任务二 思考与讨论：根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件？ 【引入】我们要调控合成氨反应，需要同时实现两个目标：①增大合成氨的反应速率，提高单位时间的产量；②提高平衡混合物中NH3的含量，提高原料利用率。请大家结合反应特点，完成下表： 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 【教师提问】大家填写完表格后，思考：哪些条件的选择，速率和平衡的要求是一致的？哪些是矛盾的？ 【学生思考】学生完成表格后，回答： 1.浓度：增大反应物浓度既可以加快速率，也可以提高平衡转化率；及时移走氨气可以提高平衡转化率； 2.温度：升高温度加快反应速率，但降低平衡转化率，二者要求矛盾； 3.压强：增大压强既可以加快反应速率，也可以提高平衡转化率，要求一致； 4.催化剂：使用催化剂可以加快反应速率，但不影响平衡转化率。 【教师补充】展示课件中不同温度、压强下平衡时氨的体积分数数据表，请大家分析数据，验证我们的理论分析是否正确。 【学生思考】分析数据后得出：压强相同时，温度升高，氨的体积分数降低；温度相同时，压强增大，氨的体积分数升高，和理论分析完全一致。 知识总结 一、工业合成氨的原理分析 2.合成氨的原理分析 ⑴从化学反应速率、化学平衡分析 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 增大 升高 增大 使用 提高平衡混合物中氨的含量 增大反应为浓度及时移走产生的氨 降低 增大 无影响 ⑵从实验数据分析 不同条件下，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） 压强增大，氨的含量增大，温度升高，氨的含量降低 环节二 工业合成氨的适宜条件 任务三 思考：在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？ 【引入】我们从理论上分析压强越大越好，但是实际生产中是不是压强越高越合适？ 【教师提问】工业生产选择压强除了考虑速率和平衡，还要考虑哪些因素？ 【学生思考】学生讨论后回答：压强越高，对设备的材料强度要求越高，设备制造成本越高，需要的动力也越大，会增加生产成本。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 1. 压强 ①原理分析：压强越大越好。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。 ③合成氨时不采用更高压强的理由：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，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 【引入】温度的选择，速率要求高温，平衡要求低温，二者矛盾，应该如何权衡？ 【教师提问】除了速率和平衡，温度的选择还需要考虑什么因素？ 【学生思考】学生结合催化剂的特点回答：还需要考虑催化剂的活性温度。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 2.温度 ①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。 ③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。 合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 【教师提问1】催化剂不影响平衡转化率，为什么工业生产还要使用催化剂？催化剂使用时有什么注意事项？ 【学生思考】回答：催化剂可以降低反应活化能，大幅加快反应速率，缩短达到平衡的时间，提高单位时间的产量；原料气必须净化，防止杂质使催化剂“中毒”，失去催化活性。 【教师提问2】浓度条件如何调控，才能兼顾速率和平衡的要求？ 【学生思考】回答：及时把生成的氨分离出去，促进平衡正向移动；未反应的原料气循环使用，同时及时补充N2和H2，保持反应物的较高浓度，加快反应速率。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 3.催化剂 ①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 ②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 ③选择催化剂的理由：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。 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。 4.合成氨工艺条件的选择 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 10～30 MPa 温度 400～500 ℃ 催化剂 使用铁触媒作催化剂 浓度 氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用；及时补充N2和H2 任务四 分析：合成氨的工艺流程 【引入】我们确定了反应的适宜条件，还要通过合理的工艺流程落实这些条件，同时最大化利用资源、降低成本。请大家结合合成氨的流程图，分析每个步骤的作用： 【教师提问】原料气净化、加压、热交换、冷却、循环气利用这几个步骤的作用分别是什么？ 【学生思考】分组讨论后回答： 1.原料气干燥净化：除去杂质，防止催化剂中毒； 2.压缩机加压：达到反应需要的压强，提高速率和平衡转化率； 3.热交换：合成氨是放热反应，利用反应放出的热量预热原料气，节约能源； 4.冷却：使气态氨液化，从混合气中分离出来，促进平衡正向移动； 5.循环使用原料气：合成氨是可逆反应，分离氨之后的混合气还有大量未反应的N2和H2，循环使用可以提高原料利用率，降低成本。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 5.合成氨的工业流程 (1)生产流程 (2)流程分析 ①原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性 ②压缩机加压：增大压强 ③热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 ④冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 ⑤循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，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，提高经济效益。 【例1】．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝-92.4kJ·mol−1。下面说法正确的是( ) A．合成氨一般选择400～500℃的原因主要考虑了温度对速率的影响 B．将生成的氨气及时液化分离，可推动平衡正向移动，加快反应速率 C．增大压强虽能提高平衡产率，但实际生产中常采用20MPa以节省设备成本 D．由于N2在空气中含量高，因此直接将空气与氢气混合通入反应炉 【答案】C 【解析】A项，合成氨选择400~500℃，既考虑温度对速率的影响(加快反应速率)，也考虑催化剂(铁触媒)的活性，该温度下催化剂活性高，不只是考虑速率，A错误；B项，及将氨气及时液化分离，平衡正向移动，但浓度降低了，反应速率会减慢，不是加快，B错误；C项，增大压强，平衡正向移动，能提高平衡产率，但压强过大对设备要求高、成本高，实际生产采用20MPa左右可节省设备成本，C正确；D项，直接将空气与氢气混合通入反应炉，空气中的氧气会与氢气混合发生爆炸等危险，且空气中含有其他杂质气体，会影响反应，不能直接混合，D错误；故选C。 【教师提问】我们今天分析合成氨条件的过程，总结一下，调控一个化工反应需要考虑哪些方面的因素？ 【学生思考】回答：首先考虑反应本身的特点，然后考虑外界条件对速率和平衡的影响，还要考虑设备、成本、环保等实际问题。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 6.化学反应调控需要注意的问题 ⑴考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素； ⑵考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件； ⑶选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况； ⑷还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 【拓展补充】介绍合成氨相关的诺贝尔奖，以及我国中科院大连化物所团队开发的低温低压合成氨催化剂的研究成果，增强学生民族自豪感，体会化学研究对生 产生活的重大意义。 【例2】合成氨生产流程如图所示。下列说法不正确的是( ) A．为防止原料气中混有的杂质使催化剂中毒，原料气必须经过净化 B．压缩机加压是为了保证尽可能高的平衡转化率和反应速率 C．未经循环前，a、b、c三处的混合气体的成分含量各不相同，温度也各不相同 D．基于氨气有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应向生成氨气方向进行 【答案】C 【解析】合成氨反应使用铁触媒作催化剂，氮气和氢气在加压高温条件下反应生成氨气，液化分离出氨气，该反应是可逆反应。A．合成氨反应使用铁触媒作催化剂，原料气中含有杂质的气体可能会造成催化剂中毒而活性减弱，因此原料气需要经过净化，故A正确；B．合成氨反应为气体体积减小的反应，增大压强既有利于加快速率又有利于平衡右移，但压强增大设备成本大幅度提升，故需要综合考虑以上影响因素，故B正确；C．未经循环前，a、b两处的混合气体的成分含量相同，故C错误；D．冷却过程，及时将NH3从平衡混合物中分离除去，降低了产物的浓度，促使合成氨反应向生成氨气的方向移动，提高了产率，故D正确；故选C。 引导学生调用化学反应速率、化学平衡移动的已有知识，从理论角度分析合成氨反应的调控方向，结合实验数据验证结论，为后续实际生产条件选择奠定基础。 通过正反实例对比，引导学生自主总结焓判据的内容和局限性，打破“放热就一定自发”的错误认知，培养学生辩证分析问题的能力。 通过工艺流程分析，让学生理解化工生产的系统性思维，提炼出化学反应调控的一般方法，落实“科学态度与社会责任”的核心素养。 课堂小结 七、板书设计 第四节 化学反应的调控 一、工业合成氨的原理分析 1.合成氨反应的特点 (1)反应：合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJmol－1，ΔS＝－198.2 Jmol－1K－1。 (2)特点： 2.合成氨的原理分析 ⑴从化学反应速率、化学平衡分析 ⑵从实验数据分析 二、工业合成氨的适宜条件 1. 压强 选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。 2.温度 目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。 3.催化剂 通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 4.合成氨工艺条件的选择 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 10～30 MPa 温度 400～500 ℃ 催化剂 使用铁触媒作催化剂 浓度 氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用；及时补充N2和H2 5.合成氨的工业流程 (1)生产流程 (2)流程分析 高经济效益。 6.化学反应调控需要注意的问题 随堂练习 1．氨是制造化肥的重要原料，如图为工业合成氨的流程图。下列有关说法错误的是( ) A．工业上制氮气一般用分离液态空气法 B．步骤②、③、④、⑤均有利于提高反应物的平衡转化率 C．步骤①中“净化”N2、H2混合气体可以防止催化剂中毒 D．步骤③中温度选择500℃，主要是考虑催化剂的活性 【答案】B 【解析】A项，由于空气中最主要的两种气体是氮气和氧气，利用空气中氮气的沸点比氧气的沸点低，先将空气加压降温变成液态，然后再加热，由于液氮的沸点(-196摄氏度)比氧气的沸点(-183摄氏度)低，氮气首先从液态空气中蒸发出来，留下的就是液态氧气，工业上制氮气一般用分离液态空气法，故A正确；B．步骤③中催化剂不改变化学平衡，反应物的平衡转化率不变，又合成氨的反应为放热反应，升温平衡逆向移动，反应物的平衡转化率减小，故B错误；C．为防止催化剂中毒，反应前的氮气和氢气混合气体需要除杂净化，故C正确；D．步骤③中温度选择500℃，主要是考虑催化剂的活性，故D正确；故选B。 2.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是(　　) ①降低温度　②增大压强　③使用催化剂　④增大CO的浓度　⑤增大水蒸气的浓度 A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．②⑤ 【答案】C 【解析】增大压强，平衡不移动；增大CO的浓度，平衡向右移动，但CO的转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO的转化率不变；降低温度或增大水蒸气的浓度，平衡均向右移动，CO的转化率增大。 3．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化为SO3： 2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=－196.6 kJ/mol。下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。下列说法错误的是 温度/℃ 平衡时SO2的转化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A．在实际生产中，从成本的角度考虑选择常压下进行反应 B．在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，这与催化剂的活性无关 C．反应过程中通入过量的空气，以提高平衡时SO2的转化率 D．为避免污染环境和提高原料利用率，尾气中的SO2需回收处理 【答案】B 【解析】A．由表格数据可知，在常压及400～500℃时，二氧化硫的转化率已经很高，继续增大压强，虽然二氧化硫的平衡转化率会提高，但不明显，且会增加设备成本，增大投资和能量消耗，故A正确；B．温度太高时，催化剂失去活性，则实际生产中，选定的温度为400~500℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳，故B错误；C．空气的成本较低，在实际生产中，通入过量的空气，反应物浓度增大，反应速率加快，平衡正向移动，从而可提高成本较高的二氧化硫的转化率，故C正确； D．尾气中的SO2必须回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率，故D正确；故选B。 4.下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A．合成氨工业的反应温度控制在400～500℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动 B．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 C．增大压强，正反应速率和逆反应速率均增大，但对正反应的反应速率影响更大 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】C 【解析】A．工业合成氨是放热反应，低温有利于反应正向移动，反应温度控制在400～500℃，是为了兼顾速率和平衡，而且此温度下催化剂活性最高，故A错误；B．工业合成氨的催化剂铁触媒的活性受温度影响比较大，400～500℃活性最高，故B错误；C．工业合成氨N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，增大压强，反应物浓度和生成物浓度都增大，但反应物浓度增大的多，所以正反应速率和逆反应速率均增大，但对正反应的反应速率影响更大，故C正确；D．N2的量越多，H2的转化率越大，但加入过多的氮气，未反应的氮气会带走较多的热量，反而不利于氨气的合成，故D错误；故选C。 5.某工业生产中发生反应：2X(g)+Y(g) 2M(g)　ΔH<0。下列有关该反应的说法正确的是(　　) 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Y价廉易得，工业上一般采用加入过量的Y的方法，以提高X和Y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．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高M的日产量 【答案】D 【解析】虽然高压条件有利于M生成，但不一定都采用高压条件，如2SO2+O22SO3，常压下SO2的转化率已经很高，高压对SO2的转化率影响不大，因而工业上采用常压；加入Y，X的转化率提高，但Y的转化率降低；ΔH<0，升高温度，反应物转化率降低；催化剂可加快化学反应速率。 教学反思 本节课以工业合成氨为真实载体，落实了化学反应速率与化学平衡综合调控的核心知识点，整体教学逻辑从理论分析到实际生产条件选择，层层递进，符合学生的认知规律。教学中融入合成氨化学史以及我国科研团队的新型催化剂研究成果，既帮助学生理解化工生产条件选择的核心思路，也渗透了家国情怀教育。 但部分学生对速率和平衡的矛盾性条件（如温度的选择）理解仍不够透彻，后续可补充硫酸工业、侯氏制碱法等更多案例让学生自主分析，同时可增设小组讨论环节，引导学生自主推导适宜条件，进一步提升学生的探究能力和知识迁移能力。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $