原創(chuàng)《合成氨條件的選擇》網(wǎng)絡(luò)課教案.doc

原創(chuàng)合成氨條件的選擇網(wǎng)絡(luò)課教案 教學(xué)目的：1知識(shí)目標(biāo)：使學(xué)生理解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理，選擇合成氨工業(yè)的適宜條件；了解應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。2能力目標(biāo)：通過運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理選擇合成氨工業(yè)的適宜條件，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力以及對(duì)所學(xué)理論的應(yīng)用能力。3情感目標(biāo)：通過對(duì)合成氨工業(yè)的展望，激發(fā)學(xué)生熱愛祖國(guó)、刻苦學(xué)習(xí)的激情。重點(diǎn)：應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理選擇合成氨工業(yè)的條件。難點(diǎn)：使學(xué)生理解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理，選擇合成氨工業(yè)的適宜條件。課時(shí)安排：一課時(shí)教學(xué)方法：1通過復(fù)習(xí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)的有關(guān)知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生得出應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和依據(jù)，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，討論合成氨工業(yè)的適宜條件。2通過校園網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)，觀看合成氨的錄像，使學(xué)生了解濃度對(duì)合成氨的影響及原料氣的循環(huán)使用等問題。3通過校園網(wǎng)，閱讀有關(guān)合成氨的歷史，展望合成氨的未來。使學(xué)生明確化工生產(chǎn)條件并非一成不變的，激勵(lì)學(xué)生為選擇更好的合成氨條件而努力學(xué)習(xí)。教具準(zhǔn)備：合成氨錄像，合成塔模型，學(xué)校校園網(wǎng)。教學(xué)過程：討論問題：化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用于化工生產(chǎn)應(yīng)考慮哪兩方面的問題？學(xué)生討論并總結(jié)，同時(shí)展示下列框圖?；瘜W(xué)反應(yīng)快慢，即化學(xué)反應(yīng)速率化工生產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度，即化學(xué)平衡討論問題：1影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素有哪些？2要使一個(gè)化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)，可改變哪些條件？3在化工生產(chǎn)上選擇生產(chǎn)條件，離不開化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的有關(guān)知識(shí)，我們這一節(jié)課就學(xué)習(xí)、探討合成氨的條件。板書： 第四節(jié) 合成氨條件的選擇提問并投影：工業(yè)合成氨的化學(xué)原理？ N2 3H2 2NH3討論：此化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)？投影： 可逆反應(yīng)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn) 正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng) 正反應(yīng)是放熱反應(yīng)討論：1此反應(yīng)在通常條件下容易進(jìn)行嗎？（從物質(zhì)結(jié)構(gòu)上考慮）2如果你作為一個(gè)合成氨工廠的技術(shù)人員，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，即提高氨氣的產(chǎn)量，你首先要考慮什么問題？3討論總結(jié)：加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高NH3在平衡混合氣中含量，可采取哪些措施，請(qǐng)?zhí)顚懴铝斜砀?目的條件 選擇使NH3生成得快（從速率分析）使NH3生成得多（從平衡分析）壓強(qiáng)增大壓強(qiáng)增大壓強(qiáng)溫度升高溫度降低溫度催化劑使用催化劑無影響濃度增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度減低反應(yīng)物濃度根據(jù)上表和化工生產(chǎn)的實(shí)際情況，來分析合成氨的適宜條件板書：一、成氨條件的選擇組織學(xué)生討論，并可閱讀課文以及下列閱讀材料，充分發(fā)表意見，總結(jié)歸納出合成氨的條件。閱讀材料：1選擇壓強(qiáng)時(shí)主要考慮下列幾個(gè)因素：設(shè)備材料的強(qiáng)度和制造要求。壓強(qiáng)過高會(huì)增加投資，降低經(jīng)濟(jì)效益。適宜壓強(qiáng)是20Mpa50MPa閱讀材料2選擇溫度時(shí)主要考慮下列幾個(gè)因素：在該溫度下反應(yīng)速率較快。在該溫度下平衡轉(zhuǎn)化率較高在該溫度附近，催化劑活性最大。閱讀材料3合成氨催化劑的選擇歷史：合成氨催化劑鐵觸媒發(fā)現(xiàn)是經(jīng)過大量科學(xué)家的努力。最初是1909年德國(guó)化工專家哈伯發(fā)現(xiàn)了鋨催化劑，但鋨是貴金屬，以鋨為催化劑不利于氨合成的普及。后來有人建議用天然礦石作催化劑試驗(yàn)，因?yàn)楹铣砂笔窃诟邷?、高壓下進(jìn)行的，有還原性氣氛（H2）的存在，就可使礦石中金屬氧化物發(fā)生還原反應(yīng)生成多種金屬的復(fù)雜物質(zhì)可能具有催化性能。真是“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費(fèi)工夫”，德國(guó)化學(xué)家波施在大量試驗(yàn)礦石的過程中發(fā)現(xiàn)，使用瑞典磁鐵礦能取得相當(dāng)滿意的氨產(chǎn)量。經(jīng)過分析瑞典磁鐵礦和進(jìn)一步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最好的催化劑就是純鐵和百分之幾的氧化鋁、少量的鉀堿和石灰熔合，其組成與瑞典磁鐵礦相似，現(xiàn)在全世界所有的合成氨催化劑都是依據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)制備的，只是性能和結(jié)構(gòu)更趨于逢穩(wěn)定和合理。板書：1壓強(qiáng)：20Mpa50MPa2溫度：適宜5003催化劑：鐵觸媒問題討論：1工業(yè)上在上述溫度、壓強(qiáng)、催化劑條件下，可使平衡混合物中NH3含量達(dá)到多少呢？請(qǐng)大家閱讀課文（回答：約264%）2可見，NH3的產(chǎn)率并不高，那么還可以進(jìn)一步采取什么措施來提高NH3的產(chǎn)量呢？觀看錄像：合成氨工業(yè)流程（注意觀察工業(yè)上為了提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，在濃度方面采取了什么措施，在什么設(shè)備中進(jìn)行？設(shè)備特點(diǎn)如何？氣體在其中如何流動(dòng)？）師生共同得出結(jié)論：把NH3液化分離。N2和H2循環(huán)使用，及時(shí)補(bǔ)充。N2與H2的加入比例保持1:3 展示合成氨工業(yè)中合成塔模型：注意三點(diǎn)：耐高壓厚壁。有厚層的催化劑。存在熱交換器過渡：那么這樣的設(shè)備是否是合成氨最好的設(shè)備？它是怎樣演變來的？板書：二、合成氨工業(yè)的發(fā)展史及合成氨工業(yè)的發(fā)展前景1回顧合成氨催化反應(yīng)20世紀(jì)初驚心動(dòng)魄的化學(xué)反應(yīng)莫過于合成氨反應(yīng)，當(dāng)時(shí)合成氨反應(yīng)對(duì)外界的震撼力不亞于現(xiàn)今的“超導(dǎo)材料”和“碳60”。那時(shí)，從兩河流域到歐洲平原，從西奈半島到非洲全境，從喜馬拉雅山脈北麓到東海之濱廣袤的土地上，最需要的是水分和氮肥，在19世紀(jì)，人們就知道合成氨反應(yīng)在熱力學(xué)上是可行的，尋找合適的催化劑是當(dāng)時(shí)化學(xué)工作者最迫切的任務(wù)。1909年7月2日，德國(guó)化工專家哈伯(FritzHaber)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首先用金屬鋨粉作催化劑，在高溫高壓設(shè)備中成功地生產(chǎn)出90g氨，全世界為之震驚,他因此獲得了1919年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。BASF（BadischeAnilinundSodaFabrik）公司為了開發(fā)合成催化劑，搶先預(yù)訂了全世界所有金屬鋨的購買權(quán)，總量約100kg，并出資幫助此項(xiàng)研究工作，這足以看出當(dāng)時(shí)BASF公司開發(fā)合成氨催化劑的決心之大、信心之足、心情之迫切。隨后不長(zhǎng)時(shí)間，哈伯被推選擔(dān)任在柏林新建立的物理化學(xué)與電化學(xué)研究所所長(zhǎng)。BASF公司把研究合成氨催化劑的工作交給AlilinMittasch。他并沒有一頭扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，而是對(duì)過去的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面分析，對(duì)幾百種試驗(yàn)的催化劑進(jìn)行分類和總結(jié)，竟然大膽地沖破許多權(quán)威理論的思想束縛，提出了一個(gè)未經(jīng)證明的科學(xué)假設(shè)，即：1尋找合適的催化劑必須用相當(dāng)多的元素和大批添加劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2催化反應(yīng)要像哈伯的實(shí)驗(yàn)一樣，必須在高溫和高壓條件下進(jìn)行。3需要進(jìn)行極大量的成套實(shí)驗(yàn)。他們的研究隊(duì)伍依據(jù)這樣的理論假設(shè)，著手實(shí)驗(yàn)。從1909年到1912年的短時(shí)間內(nèi)，完成的實(shí)驗(yàn)是驚人的，在2500個(gè)催化劑上大約進(jìn)行了6500次試驗(yàn)。試驗(yàn)的次數(shù)超過了1萬次，完成了4000多個(gè)不同體系的研究工作。與此同時(shí)，全世界至少有30多個(gè)國(guó)家，幾百個(gè)研究機(jī)構(gòu)也都進(jìn)行尋找和開發(fā)合成氨催化劑的研究工作，真可謂上如火如荼的時(shí)代。然而，以貴金屬（金屬鋨等）為主要催化劑，再添加其他化合物與元素的研究工作成效不大。根據(jù)Mittasch的假設(shè)，有人建議用天然礦石作催化劑試驗(yàn)，因?yàn)楹铣砂笔窃诟邷亍⒏邏合逻M(jìn)行的，有還原性氣氛（H2）的存在，就可使礦石中金屬氧化物發(fā)生還原反應(yīng)生成多種金屬的復(fù)雜物質(zhì)可能具有催化性能。真是“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費(fèi)工夫”，德國(guó)化學(xué)家波施（Bosch）在大量試驗(yàn)礦石的過程中發(fā)現(xiàn)，使用瑞典磁鐵礦能取得相當(dāng)滿意的氨產(chǎn)量。經(jīng)過分析瑞典磁鐵礦和進(jìn)一步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最好的催化劑就是純鐵和百分之幾的氧化鋁、少量的鉀堿和石灰熔合，其組成與瑞典磁鐵礦相似，現(xiàn)在全世界所有的合成氨催化劑都是依據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)制備的，只是性能和結(jié)構(gòu)更趨于逢穩(wěn)定和合理。在1913年9月9日，實(shí)現(xiàn)氨生產(chǎn)的工業(yè)化，興建的裝置是用285mm直徑的反應(yīng)器，催化劑體積為90L，在200Pa壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，起始氨的日產(chǎn)量只有3t5t，但是生產(chǎn)量逐漸增加，到1917年由HaberBosch生產(chǎn)過程所生產(chǎn)的氨年產(chǎn)量已超過60000t。人們對(duì)合成氨反應(yīng)的研究堪稱世界第一反應(yīng)，時(shí)至今日仍然有許多科學(xué)家對(duì)合成氨催化劑的結(jié)構(gòu)、性能、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)作更深的研究工作。在化學(xué)界把合成氨反應(yīng)看成經(jīng)典反應(yīng)，任何一個(gè)催化新理論，任何一個(gè)催化動(dòng)力學(xué)模型，任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的新概念，都要用合成氨反應(yīng)來檢驗(yàn)和證明。今天，在世紀(jì)之交的關(guān)鍵時(shí)刻，回顧上世紀(jì)最重要的化學(xué)反應(yīng)之一合成氨反應(yīng)這一段歷史，緬懷為開發(fā)合成氨反應(yīng)的先驅(qū)們那種百折不撓的精神，對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)、理解化學(xué)反應(yīng)、應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)和發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)起都是非常有益的，對(duì)我們的學(xué)習(xí)工作都有所幫助。2展望合成氨的發(fā)展前景問題：通過上述討論，如果你是一位工程師，你想采取什么措施，來進(jìn)一步提高氨的產(chǎn)量和降低合成氨的成本？研究新的能承受高壓的材料，研制新的能為生高壓的設(shè)備研制合成新的低溫催化劑。閱讀材料：1合成氨條件的選擇是與科學(xué)進(jìn)步、動(dòng)力、材料、設(shè)備等有密切關(guān)系的。隨著科技的發(fā)展，動(dòng)力、材料、設(shè)備將得到不斷的改善，可采用更高的壓力，從而提高N2與H2的轉(zhuǎn)化率，增大氨氣的為率。2目前一些科學(xué)家正努力新的催化劑，試圖在較低的溫度下進(jìn)行合成氨反應(yīng)，如果新的催化劑研制成功，那么，不但能大大加快合成氨在低溫下的反應(yīng)速率，而且能提高原料氣的轉(zhuǎn)化率，還能減緩生產(chǎn)中對(duì)壓強(qiáng)的要求，減少設(shè)備制造的投資。3化學(xué)模擬生物固氮也是科學(xué)家致力研究的方向。 某些豆科類植物的根部