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人教版（2019）
选择性必修1
第二章
化学反应速率与化学平衡
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第四节
化学反应的调控
教学设计
教学目标
1.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。
2.了解压强、温度、催化剂的选择在合成氨中重要意义。
教学重难点
重点：利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。
难点：利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。
教学过程
一、导入新课
氨是最基本的化工原料之一，其人工制备的研究最早要追溯到1898年。当时，德国的弗兰克（A.Frank，1834-1916）等人研究出了氮气与碳化钙（CaC2）、水蒸气反应制备氨的方法。随后，这种方法被工业化。
氨气的合成一方面使氮肥大量的工业化生产，提高了粮食的产量。另一方面氨氧化制得硝酸及TNT炸药。由于以上原因，德国才能将第一次世界大战延续了几年。
哈伯首创了使用化学毒剂的化学战，在第一次世界大战中有130万人受到化学战的伤害，其中9万人死亡。
那么我们能否实现人工固氮呢？需要什么样的条件呢？
二、新课讲授
【师】氮的固定中人工固氮应用很广，
而工业合成氨就是人工固氮技术的典型应用，下面我们就以工业合成氨生产条件的选择为例，研究化学反应的调控问题。
【师】　
ΔH＝－92.4
kJ/mol。据此热化学方程式，你能看出工业合成氨有哪些反应特点吗？
【学生】反应为可逆反应，正反应是气体体积减小的反应，是放热反应，
△H<0。
【师】升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都可以使合成氨的反应速率增大且有利于提高平衡混合物中氨的含量。催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。那么，在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？
【师】数据分析：表中的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1∶3)。分析表中数据，结合合成氨反应的特点，讨论应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量。
温度/℃
氨的含量/%
0.1
MPa
10
MPa
20
MPa
30
MPa
60
MPa
100
MPa
200
15.3
81.5
86.4
89.9
95.4
98.8
300
2.20
52.0
64.2
71.0
84.2
92.6
400
0.40
25.1
38.2
47.0
65.2
79.8
500
0.10
10.6
19.1
26.4
42.2
57.5
600
0.05
4.50
9.10
13.8
23.1
31.4
原理分析和对实验数据的分析均表明，合成氨时压强越大越好。但是，压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。目前，我国合成氨厂一般压强为10
MPa~30
MPa。
根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温以提高平衡转化率。实验数据也说明了这一点。但是，温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。因此，需要选择一个适宜的温度。目前，在实际生产中一般采用的温度为400~500
℃。
【提问】合成氨采用低温时可提高转化率，但为何未采用更低的温度？
【学生】小组讨论并回答。
【师】温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长，不经济。另外，合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500
℃左右活性最大。
即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。通常采用加入催化剂的方法，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应。目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500
℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400~500
℃进行的重要原因。
【师】合成氨工业采用迅速冷却法，使气态氨变为液氨后及时从混合物中分离出去的目的是什么？
【学生】使化学平衡向生成氨的方向移动。
【总结】综上可知，要使合成氨的化学反应具有理想的反应速率和反应物的平衡转化率，应掌握合成氨化学反应本身的特点，运用化学反应速率和化学平衡原理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素，综合确定合成氨的条件。当前，从所用催化剂的活性对温度的要求、工业生产对化学反应的速率与限度的要求、制作生产设备的材料性能和技术水平、追求生产投入与产品的最大正效益等实际情况来看，400~500
℃的温度、10~30
MPa的压强和铁触媒的组合是合成氨的最佳条件。
【拓展】为了提高合成氨生产的综合经济效益,还有三点是不可忽视的:
①使原料气中n(N2)∶n(H2)≈1∶3;
②将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后输入合成塔再次利用;
③及时将NH3从平衡混合物中分离出来。
板书设计
化学反应的调控
一、合成氨反应条件的原理分析
二、实际合成氨工业中选择的生产条件
1.压强：10~30
MPa
2.温度：400~500
℃
3.催化剂：铁触媒
4.
注意：
①使原料气中n(N2)∶n(H2)≈1∶3;
②将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后输入合成塔再次
利用;
③及时将NH3从平衡混合物中分离出来。

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