2.4 化学反应的调控-教学设计-2026-2027学年高二上学期化学人教版选择性必修1

教学目标

（1）能从化学反应速率和化学平衡两个维度综合分析外界条件对可逆反应的影响，说出工业合成氨适宜生产条件的选择依据；

（2）通过合成氨工业条件选择的讨论，建立“速率—限度—设备—效益”多角度统筹兼顾的化工生产思维模型，体会化学反应原理对生产实践的指导价值；

（3）能运用焓变、熵变判据判断反应方向，结合浓度、温度、压强、催化剂等影响因素，形成调控化学反应的一般思路；

（4）通过合成氨发展的化学史材料，感悟科学家勇于探索、不断攻关的科学精神，增强运用化学知识服务社会的责任感。

教学重难点

教学重点：以工业合成氨为例，运用化学反应速率和化学平衡理论综合分析并选择适宜的生产条件。

教学难点：速率与限度对条件要求出现矛盾时的统筹兼顾，形成调控化学反应的一般思路。

教学准备

PPT课件、合成氨平衡数据表、工艺流程示意图

教学流程设计

一、情境导入

由生活中的化学反应调控实例（鼓风助燃、降温保鲜、隔离灭火）引入，提出问题：化工生产中应如何调控化学反应？引出课题。

师生活动：学生列举生活与生产中调控反应的实例，教师点出调控的核心是速率与限度两大问题。

设计意图：从熟悉的生活经验出发，拉近化学原理与生产生活的距离，明确本节课的任务方向。

二、原理分析，探究新知

以合成氨反应为载体，从可逆性、焓变、熵变三方面分析反应特点，逐一讨论温度、压强、催化剂等条件对速率和平衡的影响，归纳工业生产选择适宜条件的原则。

师生活动：小组讨论、数据分析、表格归纳。

设计意图：让学生经历“原理分析—数据验证—条件综合”的完整思维过程，突破速率与限度矛盾时如何统筹的难点。

三、流程认识，学以致用

认识合成氨生产工艺流程，理解原料循环、及时分离等措施的意义，用选择条件的原则解决实际问题。

师生活动：读流程图、分析措施、完成课堂练习。

设计意图：将条件选择的原则迁移到具体情境，巩固和检验学习效果。

四、课堂小结与作业

梳理知识主线，布置分层作业。

一、情境导入

【情境】移动火柴梗被点燃的一端朝上，火柴为什么不易继续燃烧？给燃着的酒精灯扇风，火焰为什么更旺？把新鲜水果放进冰箱，为什么能延长储存时间？灭火时用水浇、用湿棉被覆盖，为什么能达到目的？

这些熟悉的经验背后，都是人们对化学反应快慢和进行程度的调控：鼓风供给充足的空气，使燃烧更剧烈；降低温度，减缓食物变质的反应；隔离可燃物、降低温度，使燃烧停止。

【提问】化工生产中，对化学反应的调控，应该注意哪些问题？

【引导】前面我们已经学习了化学反应速率的影响因素和化学平衡的移动规律，调控化学反应，就是要同时回答“反应进行得快不快”和“反应进行得完全不完全”两个问题。下面我们以最重要的化工反应之一——工业合成氨为例，研究化学反应的调控问题。

【设计意图】从生活经验切入，唤醒学生对“调控反应快慢与限度”的感性认识，自然过渡到工业生产这一综合情境，明确本节课的研究任务。

二、原理分析，探究新知

（一）合成氨反应条件的原理分析

【投影】合成氨的热化学方程式：

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)　　ΔH = −92.4 kJ·mol⁻¹

【思考】根据这一热化学方程式，你能概括出合成氨反应的哪些特点？请从可逆性、焓变、熵变三个方面考虑。

【学生】小组讨论交流并回答：①该反应是可逆反应，正、逆反应同时进行；②正反应是放热反应，ΔH＜0；③正反应是气体分子总数减小的反应，ΔS＜0。

【追问】结合上节课的内容，这个反应能否自发进行？

【学生】复合判据 ΔG＝ΔH−TΔS＜0 时反应能自发进行。该反应 ΔH＜0、ΔS＜0，只有在较低温度下才能自发进行。

【过渡】反应虽然可以自发进行，但可逆反应不能进行到底，速率太慢也没有生产价值。确定反应可以自发后，我们再来分析外界条件的改变对反应速率及化学平衡的具体影响。

合成氨反应的特点及调控方向如图1所示：

图1　合成氨反应的特点分析

【分析】提高反应速率的条件是升高温度、增大压强、使用合适的催化剂；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强、及时分离出氨。二者在温度这一措施上的要求是相反的——升温有利于加快速率却不利于平衡正向进行。

【小结】单一条件无法同时满足速率与限度两方面要求，必须统筹兼顾、综合选择。

（二）合成氨适宜生产条件的选择

【过渡】合成氨工业被誉为“20世纪科学领域最辉煌的成就之一”。实际生产中，温度、压强、催化剂是如何确定的呢？

1．压强的选择

【讲解】合成氨正反应是气体分子数减小的反应，增大压强既能增大反应速率，又能使平衡正向移动，理论上压强越大越好。但压强越大，对设备的强度和材料的要求越高，压缩原料气所需的动力也越大，会大大增加生产投资，降低综合经济效益。

【小结】根据反应器所用钢材的质量及设备条件，工业上一般采用10 MPa～30 MPa的压强。

2．温度的选择

【讲解】正反应放热，降低温度有利于平衡正向移动，可提高平衡时氨的含量；但温度越低，反应速率越小，达到平衡所需的时间越长，单位时间内的产量反而下降。此外，催化剂只有在一定温度范围内才能发挥最大活性——合成氨使用的铁触媒在500 ℃左右活性最大。

【小结】综合考虑速率、限度与催化剂活性，工业上一般采用400 ℃～500 ℃的温度。

3．催化剂的选择

【讲解】催化剂能以成千上万倍的幅度增大反应速率，是加快反应最有效的手段，但不能改变平衡时氨的含量。合成氨工业普遍使用以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒，使反应能在较低温度下以较快的速率进行。

4．浓度的控制

【思考讨论】合成氨工业采用迅速冷却的方法，使气态氨变为液氨后及时从混合物中分离出去，目的是什么？

【学生】减小生成物氨的浓度，促使化学平衡向生成氨的方向移动；同时分离出的液氨也便于储存和运输。

【补充】工业上还将原料气中N₂与H₂的物质的量之比控制在1∶2.8左右，适当增大相对廉价的N₂的