6.3 化工生產能否做到又快又多.doc

資源信息表標題：工業(yè)制硫酸 合成氨的適宜條件關鍵詞：硫酸的工業(yè)生產 合成氨的適宜條件 勒夏特列原理化學平衡移動原理 弗立茨哈伯描述：本課是在學習了化學反應速率和化學平衡的基礎上，了解簡單的工業(yè)制硫酸和合成氨的生產過程。教師在教學設計中，應體現(xiàn)化學反應速率和化學平衡移動原理等理論對工業(yè)生產實踐的指導作用，使學生懂得工業(yè)生產中提高經濟效益必須依靠科學和技術。學科：化學高一年級第二學期（試用本）上科版第六章第三節(jié) 作者：王延琴單位上海市繼光高級中學地址：上海市高陽路690號Email：6.3 化工生產能否做到又快又多（共一課時）設計思想本節(jié)教材體現(xiàn)了化學反應速率和勒夏特列原理等理論對工業(yè)生產實踐的指導作用，同時在運用理論的過程中，也可進一步加深學生對所學理論的理解。本節(jié)課的教學分為兩部分：第一部分主要簡單了解接觸法制硫酸的工業(yè)原理及其生產過程。第二部分可作為重點，通過討論，引導學生充分運用化學反應速率和勒夏特列原理等知識，并考慮合成氨生產中動力、設備、材料等實際情況，合理地選擇合成氨適宜的生產條件。此外，在教學中，使學生建立化工生產條件的選擇應以提高綜合經濟效益和減少環(huán)境污染為目的的思想。一教學目標1、知識與技能 工業(yè)生產上（合成氨、制硫酸）反應條件的選擇依據（B）2、過程與方法（1）通過制硫酸、合成氨工業(yè)生產的學習，認識化學原理在化工生產中的重要應用。（2）通過制硫酸、合成氨生產中動力、設備等條件的討論，認識工業(yè)生產上反應條件的選擇依據。3、情感態(tài)度與價值觀感悟化學原理對生產實踐的指導作用，并懂得一定的辯證思維和邏輯思維。二教學重點和難點1、重點 硫酸工業(yè)生產過程；選擇合成氨適宜的生產條件2、難點選擇合成氨適宜的生產條件三教學用品多媒體、實物投影儀四教學流程 引入課題 學生活動1閱讀思考師生互動1分析數(shù)據學生活動2尋找規(guī)律 歸納小結1 歸納小結2 小結介紹哈伯的故事師生互動2分析數(shù)據學生活動5思考問題學生活動3分析反應特點學生活動4匯報結果 1、流程圖2、流程說明引入課題： 展現(xiàn)課題，明確化工生產所要關注的問題。學生活動1：閱讀課本62頁相關內容。引出硫酸工業(yè)生產原理。應用所學知識分析提高二氧化硫轉化率的可能途徑。師生互動1：共同分析表1。表1轉化率 ()溫度壓強（101kpa）1510255010040099.299.699.799.999.999.945097.598.999.299.599.699.750093.596.997.898.699.099.355085.692.994.996.797.798.3學生活動4：學生匯報（表2）。表2使氨生產得快（從化學反應速率分析）使氨生成得多（從化學平衡分析）濃 度增大N2、H2的濃度增大N2、H2的濃度，減小NH3的濃度壓 強高壓高壓溫 度高溫低溫催化劑使用不影響師生互動2：共同分析教材64頁“資料庫”，通過數(shù)據分析理解合成氨中溫度選擇的因素。 歸納小結2：表3合成氨中理論和實際生產條件的對比。表3 理論和實際生產條件的對比濃 度壓 強溫 度催化劑理論生產為增大合成氨的反應速率增加N2、H2的濃度增大升高加入為提高平衡混合物中NH3的含量減小平衡混合物中NH3的濃度增大降低實際生產使氣態(tài)NH3變?yōu)橐簯B(tài)NH3，從平衡混合物中分離出去，并及時補充N2、H2。20 MPa50 MPa500左右鐵觸媒（500左右時活性最大）六、教學案例1、教學過程教學內容教師活動學生活動設計意圖工業(yè)制硫酸問題情景我們已學習了有關化學反應速率和化學平衡等知識，那它們在化工生產實踐中又有怎樣的應用呢？思考展現(xiàn)標題“化工生產能否做到又快又多”，其中“快”和“多”分別體現(xiàn)的是工業(yè)生產哪兩方面的要求？ 引入課題這就是化工生產中所需要兼顧的兩方面問題。那具體又是如何實現(xiàn)這兩者對立統(tǒng)一的？下面我們選擇兩種常見的化工生產來加以討論。 閱讀指導學生閱讀課本62頁相關內容。思考討論 哪些物質可作為制取二氧化硫的原料？哪種原料最好？并簡述理由。 為什么我國目前仍然采用硫鐵礦作為制取二氧化硫的原料？ 若用硫鐵礦為原料制取硫酸，寫出每一步的化學方程式，并標出化學方程式中電子轉移的方向和數(shù)目。教師歸納從上述問題中我們得出硫酸工業(yè)制法的主要流程。由于二氧化硫的轉化是在催化劑表面接觸反應，故名“接觸法”。思考討論 為什么要將礦石粉碎成很細的粉末？ 仔細分析沸騰爐的結構，說明它是怎樣使反應物充分接觸的？ 在二氧化硫的轉化反應中，應用所學知識分析提高二氧化硫轉化率的可能途徑。師生互動教師展示表1，然后師生共同分析數(shù)據，明確實際化工生產條件選擇的依據。師生小結由此可見，化學反應速率和化學平衡移動原理，是化工生產中選擇適宜反應條件的重要依據。學生回答：速率和產量。學生閱讀、討論。學生歸納出：制取二氧化硫可選用硫磺、硫鐵礦等為原料。用硫磺更好，工藝要求較簡單。學生回答：這是因為我國硫磺資源不如硫鐵礦充足，而且在可作為制取二氧化硫的其他原料中硫鐵礦的含硫量較高。學生書寫、練習。學生回答：增大反應面積，加快化學反應速率。學生回答：高壓、低溫。分析數(shù)據，尋找規(guī)律。直接切入主題，激發(fā)學習興趣。讓學生明確化工生產所要關注的問題，為下面學習做好鋪墊。培養(yǎng)學生閱讀能力培養(yǎng)學生分析、評價問題的能力。通過師生互動、討論，逐步引出工業(yè)制硫酸的原理。培養(yǎng)學生綜合分析問題能力。激發(fā)認知沖突，樹立全盤考慮問題的意識。再次明確化工生產所要關注的問題。合成氨的適宜條件思考工業(yè)上通過什么途徑獲取氨氣？教師介紹合成氨的重要意義。思考如何選擇合成氨的適宜條件？ 合成氨的反應有什么特點？（教師指導學生分析、總結。） 如果我們是企業(yè)家，要提高合成氨的經濟效益應采取什么措施？教師對學生提出的見解進行評價。思考怎樣改變條件加快合成氨的反應速率？ 怎樣改變條件能提高氨在平衡混合物中的百分含量？投影：討論結果思考： 既然增大壓強可提高反應速率，又可提高氨的產量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好呢？ 顯然，從化學反應速率和化學平衡兩個方面考慮，對壓強要求是一致的，而對溫度的要求是矛盾的。怎樣解決這個矛盾？師生互動：師生共同分析教材64頁資料庫，通過數(shù)據分析理解合成氨中溫度選擇的因素。投影表3。小結我們除了從反應原理方面分析外，還要從材料和設備方面分析才能確定合成氨工業(yè)的適宜條件。教師介紹介紹哈伯尋找合適催化劑的故事。總結無論硫酸的生產還是合成氨的適宜條件的選擇，必須全面考慮問題，既注意外界條件對反應速率和化學平衡影響的一致性，又要注意其矛盾性，同時兼顧催化劑的活性對溫度的限制。也就是理論要聯(lián)系實際. 拓展延伸同學們，請在課后查閱資料，了解合成氨的過去、現(xiàn)在和未來，我們將在拓展型課上交流學習心得。學生閱讀并寫出合成氨的化學方程式。學生思考并嘗試回答，合成氨反應的特點：可逆反應；正反應為氣體體積縮小；正反應為放熱反應等。學生認為：根據合成氨的特點，應從化學反應速率和化學平衡兩個角度來分析，要充分考慮經濟效益問題。一要使反應進行得更快，二要使產品的產量更多。學生討論。匯報討論結果（表2）。學生回答：需要考慮設備的承壓能力。分析數(shù)據。完成65頁思考與討論明確合成氨工業(yè)的重要性。在討論中進一步鞏固知識。轉換角色，激發(fā)興趣。深化對知識點的理解。引起矛盾，解決實際問題。明確合成氨工業(yè)條件選擇依據。引發(fā)學生對人類生存問題的關注。2、主要板書6.3 化工生產能否做到又快又多一、工業(yè)制硫酸4FeS2+11O2 2Fe2O3+8SO2（沸騰爐）2SO2+O2 2SO3 （接觸室）SO3+H2O H2SO4 （吸收塔）二、合成氨的適宜條件N2+3H2 2NH3加快速率：高壓、高溫、催化劑使平衡向正反應方向移動：高壓、低溫生產實際：20MPa50MPa、500、鐵催化劑三、課的小結高溫高壓催化劑3、相關鏈接 合成氨原料氣的制取要生產合成氨，首先要制造含有氮、氫混合氣的原料氣。用于制造原料氣的原料可分為固體原料、液體原料和氣體原料三種。固體原料主要有煤和焦炭。將煤或焦炭放入半水煤氣發(fā)生爐里，交替通入空氣和水蒸氣，就可以得到半水煤氣。半水煤氣的有效成分是N2和H2，還含有CO、CO2和H2S等雜質。半水煤氣經凈化后，可做合成氨的原料氣。液體原料主要有原油、輕油、重油等。它們可用分子式CmHn表示。用水蒸氣和氧氣的混合氣體來氣化重油，可得到H2和CO。利用重油氣化法制取合成氨原料氣，是近代合成氨工業(yè)中的一個重要發(fā)展。常用的氣體原料有天然氣、油田氣、煉廠氣和焦爐氣等四種。在這些氣體原料中，天然氣用量最大。我國四川省有以天然氣為原料的大型合成氨廠。用天然氣制合成氨原料氣的方法很多，概括起來可分為四大類，即熱解法、水蒸氣轉化法、部分氧化法和綜合法。熱解法是在沒有觸媒的情況下，用高溫使天然氣中的甲烷受熱分解而制得氫氣的方法：CH4 2H2 + C水蒸氣轉化法是在700 900 的溫度下，使水蒸氣和甲烷通過鎳觸媒而起反應：CH4+H2O CO+3H2部分氧化法是在950 左右和鎳觸媒的作用下，使甲烷進行不完全氧化：2CH4 + O2 2CO+4H2綜合法是在制取乙炔的同時，副產合成氨原料氣。將天然氣和氧氣同時通入轉化爐中，高溫下使部分甲烷進行燃燒，放出的熱使剩余的天然氣受熱后分解而生成乙炔和氫氣，分離后可得到氫氣。 2CH4 C2H2 + 3H2 合成氨的催化機理熱力學計算表明，低溫、高壓對合成氨反應是有利的，但無催化劑時，反應的活化能很高，反應幾乎不發(fā)生。當采用鐵催化劑時，由于改變了反應歷程，降低了反應的活化能，使反應以顯著的速率進行。目前認為，合成氨反應的一種可能機理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進行化學吸附，使氮原子間的化學鍵減弱。接著是化學吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成NH、NH2和NH3，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨。上述反應途徑可簡單地表示為：xFe + N2 FexNFexN +H吸 FexNHFexNH +H吸 FexNH2FexNH2 H吸FexNH3 xFe+NH3在無催化劑時，氨的合成反應的活化能很高，大約335 kJ/mol。加入鐵催化劑后，反應以生成氮化物和氮氫化物兩個階段進行。第一階段的反應活化能為126 kJ/mol167 kJ/mol，第二階段的反應活化能為13 kJ/mol。由于反應途徑的改變（生成不穩(wěn)定的中間化合物），降低了反應的活化能，因而反應速率加快了。 催化劑的中毒催化劑的催化能力一般稱為催化活性。有人認為：由于催化劑在反應前后的化學性質和質量不變，一旦制成一批催化劑之后，便可以永遠使用下去。實際上許多催化劑在使用過程中，其活性從小到大，逐漸達到正常水平，這就是催化劑的成熟期。接著，催化劑活性在一段時間里保持穩(wěn)定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用。活性保持穩(wěn)定的時間即為催化劑的壽命，其長短因催化劑的制備方法和使用條件而異。催化劑在穩(wěn)定活性期間，往往因接觸少量的雜質而使活性明顯下降甚至被破壞，這種現(xiàn)象稱為催化劑的中毒。一般認為是由于催化劑表面的活性中心被雜質占據而引起中毒。中毒分為暫時性中毒和永久性中毒兩種。例如，對于合成氨反應中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。但利用純凈的氫、氮混合氣體通過中毒的催化劑時，催化劑的活性又能恢復，因此這種中毒是暫時性中毒。相反，含P、S、As的化合物則可使鐵催化劑永久性中毒。催化劑中毒后，往往完全失去活性，這時即使再用純凈的氫、氮混合氣體處理，活性也很難恢復。催化劑中毒會嚴重影響生產的正常進行。工業(yè)上為了防止催化劑中毒，要把反應物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設備，提高成本。因此，研制具有較強抗毒能力的新型催化劑，是一個重要的課題。 化學模擬生物固氮的研究目前，化學模擬生物固氮的重要研究課題之一，是固氮酶活性中心結構的研究。固氮酶由鐵蛋白和鉬鐵蛋白這兩種含過渡金屬的蛋白質組合而成。鐵蛋白主要起著電子傳遞輸送的作用，而含二個鉬原子和二三十個鐵和硫原子的鉬鐵蛋白是絡合N2或其他反應物（底物）分子，并進行反應的活性中心所在之處。關于活性中心的結構有多種看法，目前尚無定論。從各種底物結合物活化和還原加氫試驗來看，含雙鉬核的活性中心較為合理。我國有兩個研究組于19731974年間，不約而同地提出了含鉬鐵的三核、四核活性中心模型，能較好地解釋固氮酶的一系列性能，但其結構細節(jié)還有待根據新的實驗結果精確化。國際上有關的研究成果認為，溫和條件下的固氮作用一般包含以下三個環(huán)節(jié)：絡合過程。它是用某些過渡金屬的有機絡合物去絡合N2，使它的化學鍵削弱；還原過程。它是用化學還原劑或其他還原方法輸送電子給被絡合的N2，來拆開N2中的NN鍵；加氫過程。它是提供H+來和負價的N結合，生成NH3。目前，化學模擬生物固氮工作的一個主要困難是，N2絡合了但基本上沒有活化，或絡合活化了，但活化得很不夠。所以，穩(wěn)定的雙氮基絡合物一般在溫和條件下通過化學還原劑的作用只能析出N2，從不穩(wěn)定的雙氮絡合物還原制出的NH3的量相當微少。因此迫切需要從理論上深入分析，以便找出突破的途徑。固氮酶的生物化學和化學模擬工作已取得一定的進展，這必將有力地推動絡合催化的研究，特別是對尋找催化效率高的合成氨催化劑，將是一個有力的促進。六教學反思化學反應速率和勒夏特列原理向來是化學基本理論教學中的重要內容，如何應用原理解決化工生產中的實際問題，并使學生了解選擇化工生