活動(dòng)項(xiàng)目(一)　合成氨的昨天-回顧歷史追溯探索的歷程

項(xiàng)目?jī)r(jià)值本項(xiàng)目不僅呈現(xiàn)“過去完成時(shí)”(合成氨的歷史進(jìn)程)，還有“現(xiàn)在進(jìn)行時(shí)”(合成氨的前沿動(dòng)態(tài))，更有“一般將來時(shí)”(合成氨的未來展望)；學(xué)生的角色經(jīng)歷從“歷史回顧者”到“現(xiàn)實(shí)見證者”再到“未來設(shè)計(jì)者”的蛻變?；谡鎸?shí)的學(xué)術(shù)探索情境，基于“講理”的學(xué)習(xí)過程，經(jīng)歷微觀探析、證據(jù)推理、模型建構(gòu)等學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到化學(xué)始終與社會(huì)發(fā)展相伴隨行，在社會(huì)發(fā)展的歷史洪流中，每一個(gè)化學(xué)人的探索，都在構(gòu)筑人類文明進(jìn)步的階梯?；顒?dòng)目標(biāo)設(shè)計(jì)意圖：通過回顧“合成氨的昨天”讓學(xué)生體會(huì)到在當(dāng)時(shí)的歷史背景下，哈伯優(yōu)化合成氨的條件何其艱辛，從理論到實(shí)際，滲透的是百折不撓的科學(xué)精神，培養(yǎng)的是勇于擔(dān)當(dāng)?shù)呢?zé)任意識(shí)。通過換位思考、技術(shù)優(yōu)化等活動(dòng)，讓學(xué)生感受到合成氨“高溫高壓催化劑”短短七個(gè)字的反應(yīng)條件是何其厚重?；顒?dòng)項(xiàng)目(一)合成氨的昨天——回顧歷史，追溯探索的歷程19世紀(jì)初，世界人口快速增長(zhǎng)，民以食為天，提升糧食產(chǎn)量迫在眉睫。氮肥對(duì)糧食增產(chǎn)至關(guān)重要，英國科學(xué)家克魯克斯呼吁科學(xué)界“向空氣要氮肥”，自此合成氨反應(yīng)引發(fā)了廣泛的關(guān)注。(一)理解合成氨的反應(yīng)原理常見的固氮反應(yīng)如表所示。常見固氮反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。結(jié)合數(shù)據(jù)，說明選用N2和H2反應(yīng)進(jìn)行人工固氮的理由。反應(yīng)①和②均很難自發(fā)進(jìn)行，反應(yīng)③常溫下即可自發(fā)進(jìn)行。反應(yīng)③的平衡常數(shù)約為反應(yīng)①的1037倍、反應(yīng)②的4×10126倍，故反應(yīng)③正向進(jìn)行的趨勢(shì)遠(yuǎn)大于反應(yīng)①和②，應(yīng)選擇N2和H2合成氨以實(shí)現(xiàn)人工固氮。(二)探索合成氨的最佳條件1．德國化學(xué)家哈伯在實(shí)驗(yàn)室摸索出合成氨的條件，使之初具工業(yè)化價(jià)值，因此獲得1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。假如你是哈伯，請(qǐng)從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度為工業(yè)合成氨選擇適宜的反應(yīng)條件。提示：①為了提升氨的平衡產(chǎn)率，應(yīng)降溫、加壓、及時(shí)移去反應(yīng)生成的氨氣。②為了提升氨的生成速率，應(yīng)升溫、加壓、選擇高效的催化劑。2．推測(cè)哈伯在當(dāng)時(shí)特定的歷史條件下會(huì)遇到怎樣的困難？提示：①高產(chǎn)率和高速率所需的溫度條件相互矛盾，魚和熊掌難以兼得。②高壓力條件對(duì)設(shè)備性能、生產(chǎn)成本提出了極高的挑戰(zhàn)。③催化劑的篩選應(yīng)該并不容易，還需考慮溫度對(duì)催化劑性能的影響。3．實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)?？茖W(xué)家為了優(yōu)化合成氨的反應(yīng)條件，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，得到了豐富的數(shù)據(jù)樣本。請(qǐng)解讀圖1、圖2數(shù)據(jù)，選擇最優(yōu)反應(yīng)條件。提示：由圖1可知，在一定的溫度和壓強(qiáng)下，氮?dú)浔燃s為1∶3時(shí)，平衡時(shí)氨的體積分?jǐn)?shù)最高；從圖2可知，在其他條件相同時(shí)，提高壓強(qiáng)、降低溫度有利于提高平衡時(shí)氨的體積分?jǐn)?shù)，500atm、400℃下，氨的體積分?jǐn)?shù)超過60%。4．假如你是工廠廠長(zhǎng)，將哈伯的實(shí)驗(yàn)室專利投入工業(yè)生產(chǎn)需要關(guān)注哪些問題？(開放性問題，合理即可)提示：①首先關(guān)注生產(chǎn)安全，高溫高壓環(huán)境容易造成安全隱患。②關(guān)注生產(chǎn)成本的控制，如果一味追求產(chǎn)率而降低溫度，反應(yīng)速率極低，合成氨的日產(chǎn)量趨于零，工業(yè)生產(chǎn)就失去了意義。③不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)換取利潤(rùn)，應(yīng)盡可能降低能耗，做到環(huán)境友好。A．當(dāng)充入足夠N2(g)后，H2(g)會(huì)全部轉(zhuǎn)化B．升溫可以加快化學(xué)反應(yīng)速率故工業(yè)合成氨時(shí)溫度越高越好C．正、逆反應(yīng)速率相等時(shí)，N2與H2濃度比一定是1∶3D．通過調(diào)控反應(yīng)條件，可以提高該反應(yīng)進(jìn)行的程度答案：D

升溫可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，但溫度過高催化劑活性降低，反應(yīng)速率會(huì)減慢，且正反應(yīng)放熱，升高溫度不利于氨氣生成，故B錯(cuò)誤；正、逆反應(yīng)速率相等時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，但N2與H2濃度比不一定是1∶3，故C錯(cuò)誤；增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)進(jìn)行程度增大，故D正確。2．(2023·順德區(qū)李兆基中學(xué)期中)下圖所示為工業(yè)合成氨的流程圖。下列有關(guān)生產(chǎn)條件的調(diào)控作用分析錯(cuò)誤的是(

)A．步驟①中“凈化”可以防止催化劑中毒B．步驟②“加壓”可以加快反應(yīng)速率，但壓強(qiáng)過高，氨的產(chǎn)率會(huì)降低C．步驟③一般選擇控制反應(yīng)溫度為400～500℃，因?yàn)樵谠摐囟认麓呋瘎┑幕钚宰畲驞．步驟④⑤有利于提高原料的利用率，能節(jié)約生產(chǎn)成本答案：B

解析：步驟①中“凈化”可除去雜質(zhì)，防止催化劑中毒，故A正確；合成氨的反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，加壓有利于平衡正向移動(dòng)，提高原料轉(zhuǎn)化率和氨的產(chǎn)率，加壓也可以提高反應(yīng)速率，故B錯(cuò)誤；400～500℃時(shí)催化劑的活性最大，催化效果最佳，因此步驟③一般選擇控制反應(yīng)溫度為400～