2022年化学反应条件的优化工业合成氨教案 .pdf

学习必备欢迎下载教师姓名学生姓名填写时间年月日学科年级教材版本阶段观察期第（）周维护期教师课时统计第课时共课时课程名称课时计划上课时间年月日教学目标同步教学知识内容：在了解了化学平衡和化学反应速率的基础上学习氨的合成，选择最优条件个性化学习问题解决:给学生巩固基础知识，了解并掌握常见题型教学重点应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件教学难点应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件教学过程教师活动学生活动导入：影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些？引出催化剂只能改变化学反应速率，不能改变化学平衡状态。今天这节课我们就看看如何利用化学反应的有关知识将一个化学反应实现工业化，我们以工业合成氨为例。首先我们看看合成氨的有关背景。弗里茨 哈伯与合成氨合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150 年的时间。德国科学家哈伯在 10 年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2 年间他们就进行了多达6500 次试验，测试了2500 种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在1913 年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918 年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g)2NH3(g) 已知 298K 时 : H= -92.2KJ mol1 ， S = -198.2J K1 mol 1 请根据正反应的焓变和熵变分析298K 下合成氨反应能否自发进行？298K 下合成氨反应的平衡常数K 为 4.1 106（mol L1)2 观察合成氨的化学反应，说明合成反应的特点：N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol (1 体积 ) (3 体积 ) (2 体积 ) 一、合成氨反应的限度请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。从图中可以看出降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动， N2、H2 体积比为1： 3 时平衡混合物中氨的含量最高。二、合成氨反应的速率1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？2、实验研究表明，在特定条件下， 合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为 : = C(N2)C 1. 5(H2)C 1(NH3) ， 请你根据关系式分析：各物质的浓度对反学生回答学生计算， 看反应能不能自发发生NH3精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页学习必备欢迎下载教学过程应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？催化剂对合成氨反应速率的影响条件 E /KJ/mol k(催)/k( 无) 无催化剂335 3.4 1012(700k) 使用 Fe 催化剂167 1. 升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂2. 增大 N2、H2 浓度 ,将氨及时从混合气中分离出去3. 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。三、合成氨的适宜条件合成氨的适宜条件的选择外界条件使 NH3生产得快使 NH3生产得多速率分析平衡分析压强高压高压温度高温低温催化剂使用无影响反应物的浓度增大浓度增大浓度生成物氨的浓度减小浓度减小浓度研讨的内容研讨的问题研讨的结论1、既然增大压强既可提压强怎么定？学生回答精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页学习必备欢迎下载高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好温度怎么选择？3、催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？要不要用催化剂？1、压强怎么选？合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和 N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。综合以上两点 :根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。2、温度怎么选择？ 因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。 可是温度越低，反应速率越小， 达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。 催化剂要在一定温度下催化活性最大。综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K 左右（主要考虑催化剂的活性） 。3、用不用催化剂？经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在 700K 时活性最高。4、浓度怎么定？N2和 H2的比例怎么定？增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3 时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和 H2的物质的量比为1：2.8 时，更能促进氨的合成。实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。外部条件工业合成氨的适宜条件压强根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强学生思考精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页学习必备欢迎下载温度适宜温度700K 左右催化剂使用铁触媒作催化剂浓度N2和 H2的物质的量比为1： 2.8 的投料比 , 氨及时从混合气中分离出去合成氨的方程式（注意条件）课堂练习【题】对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是（B）高温低温低压高压催化剂加氨除氨A.B.C. D.【题】在一定条件下，可逆反应N23H22NH3H 0 达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（CD）A.加入催化剂， V 正、 V 逆都发生变化，且变化的倍数相等B.加压， V 正、 V 逆都增大，且V 正增大的倍数大于V 逆增大的倍数C.降温， V 正、 V 逆都减小，且V 正减少的倍数大于V 逆减少的倍数D.加入氩气， V 正、 V 逆都增大，且V 正增大的倍数大于V 逆增大的倍数【题】合成氨所需的H2由炭和水蒸气反应制得，其中一步反应为COH2O(g)CO2H2H 0，欲使 CO 的转化率提高，同时提高H2的产率，可以采取的措施是（A）A.增大水蒸气的浓度B.升高温度C.增大 CO 浓度D.增大压强【题】在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为3 ：1 ：1，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为9 ：3 ：4，则此时 N2的转化率为（ A）A.10% B.20% C.15% D.30% 【题】在一定条件下，2NH33H2 N2，达到平衡时， NH3的转化率为50%，此时平衡混合气的密度与 NH3未分解时的密度之比为（B）A.：B.：C.：D.：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页学习必备欢迎下载【题】在密闭容器中进行如下反应已达到平衡，N23H22NH3H 0，其他条件不变时，若将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的倍，则下列说法中正确的是（BD ）A.平衡不移动B.平衡向正方向移动C.平衡向逆反应方向移动D.NH3的百分含量增加【题】在一定条件下， 进入氨合成塔的混合气体中含N2的体积分数为22%， 含 H2的体积分数为78%，经过合成反应达到平衡后，在相同的温度和压强下，气体的体积缩小至原体积的95%，N2的转化率与下面接近的数值是（B）A.12.5% B.11.4% C.10.5% D.9% 【题】工业合成氨反应是700 K 左右进行的，这主要原因是（D）A. 700 K 时此反应速率最快B. 700 K 时氨的平衡浓度最大C. 700 K 时氨的转化率最高D. 700 K 该反应的催化剂能发挥最大的作用【题】有关合成氨工业的说法中，正确的是（B）A.从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占 15%，所以生产氨的工厂效率都很低B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在500左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动D.合成氨厂采用的压强是2050 Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最大【题10】一密封体系中发生反应：N23H22NH3（正反应为放热反应）下图为某一段时间段反应速率与反应进程的曲线关系图：回答下列问题： （）处于平衡状态的时间段是。（） t1、t3、t4时刻，体系中分别是什么条件发生了变化？（）下列时间段中，氨的百分含量最高的是（）A. t1B.t2t3C. t3t4D. t5t6【题11】 .向体积不变的密闭容器中充入2 mol N2和 6 mol H2，一定条件下发生反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)，平衡时混合气共7 mol。令 a、b、c 分别代表N2、H2、NH3起始加入的物质的量，维持温度不变，使达到平衡时各成分的百分含量不变。则：(1)若 a0，b0，则 c；(2)若 a0.7，b2.1，则：c精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页学习必备欢迎下载注：此表用作每次课的教学设计方案。这时反应向进行；若要维持反应开始时即向该反应方向进行，c 的取值范围是；(3)欲使起始反应维持向与（）相反的方向进行，则b 的取值范围是。课后作业课后记本堂课教学计划完成情况：照常完成提前完成延后完成，原因学生的接受程度：完成能接受部分能接受不能接受，原因学生的课堂表现：很积极比较积极一般不积极，原因学生上次作业完成情况：完成数量% 已完成部分质量分（ 5 分制）存在问题配合要求：家 长学管师备注提交时间教研组长审批教研主任审批精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页