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1、最新魯科版選修四《化學(xué)反應(yīng)
條件的優(yōu)化一一工業(yè)合成氨》教案 1
——工業(yè)合成氨》教案1化學(xué)反應(yīng)
條件的優(yōu)化
--工業(yè)合成氨
教材分析
本節(jié)教材體現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)速率和平衡移動原理等理論對工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用 ,同時
在運(yùn)用理論的過程中,也可進(jìn)一步加深學(xué)生對所學(xué)理論的理解。
教材分為兩部分:第一部分主要是通過討論引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化 ?學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原
理等知識,并考慮合成氨生產(chǎn)中動力、設(shè)備、材料等的實(shí)際情況 ,合理地選擇合成氨的生產(chǎn)
條件。第二部分是拓寬思路方面的內(nèi)容 ,主要是探討合成氨的發(fā)展前景。
在第一部分內(nèi)容中,教材針對合成氨的反應(yīng)是一個放熱的、氣體 總體積縮小的可逆
2、反
應(yīng),首先要求學(xué)生利用已學(xué)過的知識 ,討論為使合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率增大所應(yīng)采取的方 法。在此基礎(chǔ)上,又據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)討論為提高平衡混合物中 nh3的含量所應(yīng)采取的方法。在
兩個討論的基礎(chǔ)上,教材又結(jié)合合成氨生產(chǎn)中動力、材料、設(shè)備、催化劑的活性等實(shí)際情況 較具體地分析了合成氨時壓強(qiáng)、溫度、催化劑等的選擇 ,情況。此外,還結(jié)合合成氨生產(chǎn)過
程示意圖,簡單提及濃度等條件對合成氨生產(chǎn)的影響 ,以及原料的循環(huán)使用等問題,以使學(xué)生
理解合成氨條件的選擇應(yīng)以提高綜合經(jīng)濟(jì)效益為目的。
第二部分教學(xué)在第一部分的基礎(chǔ)上討論 ,合成氨的發(fā) 展前景,拓寬學(xué)生的思路,主要目的 不在于知識本身,而更多地應(yīng)側(cè)重于培
3、養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和訓(xùn)練科學(xué)方法。
教學(xué)建議
第一部分“合成氨條件的選擇”的教學(xué):
1 .提出問題:針對合成氨的反應(yīng) ,首先需要研究如何在單位時間里提高 NHg?的產(chǎn)量, 這是一個化學(xué)反應(yīng)速率問題。
2 .復(fù)習(xí)提問:濃度、壓強(qiáng)、溫度、催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率影響的結(jié)果。
3 .組織討論:
①為使合成氨的反應(yīng)速率增大,應(yīng)采取的方法。
②合成氨反應(yīng)是可逆反應(yīng),在實(shí)際生產(chǎn)中,僅僅考慮單位時間里的產(chǎn)量問題(化學(xué)反應(yīng)
速率問題)還不行,還需要考慮如何最大限度地提高平衡混合物中 NH3的含量問題(化學(xué)
平衡的移動問題)。
③針對合成氨的反應(yīng)是一個放熱的、氣體總體積縮小的可逆反應(yīng) ,要求學(xué)生利
4、用已 學(xué)
過的知識,討論為最大限度地提高平衡混合物中 NHg的含量所應(yīng)采取的方法。
4 .閱讀圖表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)印證理論:學(xué)生通過閱讀表 2-4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,應(yīng)用平衡移動
原理得出的結(jié)論與科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是完全一致的 ,這會大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
5 .綜合上面的討論情況,同時綜合考慮合成氨生產(chǎn)中動力、設(shè)備、材料等的實(shí)際情況 , 具體地研究合成氨條件的選擇問題。此外 ,要結(jié)合合成氨生產(chǎn)過程示意圖,簡單提及濃度對
合成氨生產(chǎn)的影響以及原料的循環(huán)使用等問題 ,以使學(xué)生理解合成?氨條件的選擇應(yīng)以提高
綜合經(jīng)濟(jì)效益為目的
第二部分“合成氨工業(yè)發(fā)展前景”的教學(xué)
1 .從合成氨工業(yè)的發(fā)展簡況入
5、手 ,以壓強(qiáng)選擇的變化為例,說明合成氨條件的選擇是與 科技進(jìn)步、動力、材料、設(shè)備等條件的改善緊密相聯(lián)系的 ,并仍將隨之而作相應(yīng)的改變。
2 .目前研究課題簡介:結(jié)合簡介 ,可向?qū)W生提出一些問題,啟發(fā)學(xué)生思考,拓寬學(xué)生的 思路,使學(xué)生的科學(xué)方法得到訓(xùn)練,如研究催化劑的目的是什么?新催化劑的研制成功 ,使合
成氨反應(yīng)可在較低溫度下進(jìn)行,是否會減緩合成氨生產(chǎn)中對壓強(qiáng)的要求而減少設(shè)備制造的投 資?等等。
配合目前研究課題的簡介,教材編寫有“化學(xué)模擬生物固氮”的閱讀材料 ,可讓學(xué)生
閱讀,要求學(xué)生拓寬思路、設(shè)想甚至想象。
合成氨條件的選擇
i .壓強(qiáng)。增大壓強(qiáng),有利于的合成,但在實(shí)際市產(chǎn)中,
6、壓強(qiáng)不可能無限制的增大, 因?yàn)閴簭?qiáng)越大,需要的動力越大,對材料的強(qiáng)度和設(shè)備白^制造要求也越高 ,勢必增大生產(chǎn)成本
降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。因此,受動力、材料、設(shè)備等條件的限制 ,目前我國合成氨廠一般采用
的壓強(qiáng)是20Mpm 5MPa。
2 .溫度。合成氨為放熱反應(yīng) ,低溫有利于氨的生成。但是溫度越低 ,反應(yīng)速率就慢,到 達(dá)平衡所需要的時間越長,因而單位時間內(nèi)產(chǎn)量低,這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)濟(jì)的。綜合考
N]與的化合十分困難,即使采用了加熱與高
慮各種因素,在實(shí)際生產(chǎn)上,采用500c的溫度,此時催化劑的活性最大。
3 .催化劑。由于 分子非常穩(wěn)定
壓的條件,合成氨的反應(yīng)還是十分緩慢。為了
7、加快化合反應(yīng)速率 ,降低反應(yīng)所需要的能量,合
成氨工業(yè)普遍使用鐵觸媒作催化劑
(增大反應(yīng)物濃度),采取迅速冷卻的方法(減小
在實(shí)際生產(chǎn)中,不斷補(bǔ)充、 生成物濃度),使氣態(tài)氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出去 ,以促使化學(xué)平衡不斷地 向著生成的方向移動。
合成氨化學(xué)發(fā)展史上的“水門事件”
在探索合成氨崎嶇的道路上,它不僅使兩位杰出的化學(xué)家勒沙特列和能斯特折戟蒙羞 ,
而且使一位對人類社會發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)并因此獲得諾貝爾化學(xué)獎的哈伯墮落成為助紂為 虐與人民為敵的可恥下場。后來人民把合成氨稱為化學(xué)發(fā)展史上的“水門事件”。
1900年,法國化學(xué)家勒沙特列在研究平行移動的基礎(chǔ)上通過理論計
8、算 ,認(rèn)為N]和E,
在高壓條件下可以直接化合生成氨 ,接著,他用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證,但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生了爆炸。他
沒有調(diào)查事故發(fā)生的原因,而是覺得這個實(shí)驗(yàn)有危險,于是放開了這項研究工作,他的合成氨 實(shí)驗(yàn)就這樣 夭折了。后來才查明實(shí)驗(yàn)失敗的原因 ,是他所用混合氣體中含有 在實(shí)驗(yàn)過
程和0:發(fā)生了爆炸的反應(yīng)。
稍后,德國化學(xué)家能斯 特通過理論計算,認(rèn)為合成氨是不能進(jìn)行的。因此人工合成氨的 研究又慘遭厄運(yùn)。后來才發(fā)現(xiàn),他在計算時誤用一個熱力學(xué)數(shù)據(jù),以致得到錯誤的結(jié)論。
在合成氨研究屢屢受挫的情況下 ,哈伯知又t而進(jìn),對合成氨進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究和實(shí)驗(yàn) ,
終在1908年7月在實(shí)驗(yàn)室用 N?和H1
9、在600c ,200個大氣壓下合成出氨,產(chǎn)率僅有2% , 卻也是一項重大突破。當(dāng)哈伯的工藝流程展示之后 ,立即引起了早有用戰(zhàn)爭吞并歐洲稱霸世
界的野心的德國軍政要員的高度重視 ,為了利用哈伯,德國皇帝也屈尊下駕請哈伯出任 -德國
威廉研究所所長之職。而惡魔需要正好迎合了哈伯想成百萬富翁的貪婪心理。從 1911年到
1913年短短的兩年內(nèi),哈伯不僅提高了合成氨的產(chǎn)率 ,而且合成了 1000噸液氮,并且用它制
造出3500噸烈性炸藥TNT。至IJ了 1913年的第一次世界大戰(zhàn)時,哈伯已為德國建成了無數(shù)個
大大小小的合成氨工廠、為侵略者制造了數(shù)百萬噸炸藥因而導(dǎo)致并蔓延了這場殃禍全球的
世
10、界大戰(zhàn)。這就是第一次世界大戰(zhàn)德國為什么 能堅持這么久的不解之謎的謎底。
當(dāng)事實(shí)真相大白于天下時,哈伯受到了世界各國科學(xué)家的猛烈抨擊 ,尤其當(dāng)他獲得1918
年諾貝爾化學(xué)獎時,更激起世界人民的憤怒。
人工合成氨實(shí)驗(yàn)的成功令人歡心鼓舞 ,它對工業(yè),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國際科技的重大意義是不
言而喻的。但對三位杰出的科學(xué)家而言則是黑色的“水門事件”。勒沙特列和能斯特的失
誤則給人們有益的啟示,那就是:搞學(xué)問要有鍥而不舍的精神 ,堅韌不拔的毅力和一絲不茍
的工作作風(fēng),而哈伯墮落使人們清楚看到一個對人類發(fā)展有著巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家由于自己的 貪婪而墮落成為人民的公敵 ,歷史的罪人。
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