资源简介

§2—4合成氨条件的选择
教学目标
1．使学生理解如何应用化学反应速率和化学平衡的原理，选择合成氨的适宜条件。
2．使学生了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。
3．通过运用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件，培养学生分析问题、解决问题的能力以及对所学理论的应用能力。
4．通过对合成氨工业未来的展望，激发学生热爱祖国、刻苦学习的激情。
教学重点 应用化学反应速率和化学平衡的原理选择合成氨的适宜条件。
教学难点 使学生理解如何用化学反应速率和化学平衡的原理选择合成氨的适宜条件。
教学方法
1．通过复习化学反应速率和化学平衡移动的有关知识，启发学生得出应用化学原理选择化工生产条件的思路和依据。并结合生产实际，讨论得出合成氨的适宜条件。
2．通过观看合成氨的录像，使学生了解浓度对合成氨的影响及原料气的循环使用等问题。
3．通过阅读和讨论，使学生明确化工生产条件并非一成不变，激励学生为选择更好的合成氨条件而努力学习。
教具准备 合成氨录像带、合成塔模型、投影仪、胶片。
教学过程
[复习提问]1．影响化学反应速率的因素有哪些 浓度、温度、压强、催化剂等。
2．要使一个化学平衡发生移动．可改变哪些条件
浓度、温度，有气体参与的反应可改变压强。
[师]在化工生产上选择生产条件，离不开化学反应速率和化学平衡的有关知识。我们这节课就学习合成氨条件的选择。
[板书] 第四节 合成氨条件的选择
[师]请大家写出合成氨的化学方程式。 N2[g] + 3H2[g]2NH3 [g]
[师]请大家结合我们第一章所学知识，说出这个反应有何特点。
甲：反应物和生成物全为气体。
乙：是气体体积缩小的可逆反应。
丙：正反应是放热反应。
[教师提示]该反应常温常压下容易进行吗 为什么
不容易，因为N2分子结构稳定，N≡N不易断裂。
[讨论]如果你是一个合成氨工厂的技术入员，为了提高经济效益．即提高氨气的产量，你首先要考虑什么问题
结论：1．如何加快反应速率；2．如何提高NH3 在平衡混合气中的含量。
[师]那么我们要加快合成氨的反应速率而且还要使平衡尽可能正向移动，可以采取哪些措施呢 请同学们讨论以后填写下表。
[投影]
说明：把上表制成多媒体课件，学生讨论后，边回答边显示出正确答案。
[师]下面我们就根据上表和化工生产的实际情况，来分析一下合成氨的适宜条件。
[板书] 一、合成氨的条件选择
1．压强
[师]从上表可以看出，从反应速率和化学平衡移动分别来考虑，对压强的要求是一致的，增大压强，既能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，又能提高氨气在平衡混合气中的含量，那么是不是压强越大越好 一般采取多大压强 请同学们打开课本P50阅读有关内容。
因为压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，这会大大增加投资，并可能降低综合经济效益。目前合成氨厂一般采用的压强是20MPa～50MPa。
[板书] 20M Pa～50M Pa
[师]下面我们再看温度的选择。
[板书] 2．温度
[师]从上表分析，高温有利于加快反应速率，但却降低了平衡时氨气在混合气体中的含量，低温可以提高氨气在平衡混合气中的含量，但反应速率慢，需要很长时间才能达到平衡状态，这在化工生产上也是很不经济的。所以温度不能太低，也不能太高，工业上一般在500℃左右的温度下进行。·
[板书] 500℃左右
[师]选择500℃左右的温度，还与另外一个因素有关，那就是催化剂的使用。
[板书] 3．催化剂
[师]合适的催化剂能成万倍地增大化学反应速率，缩短反应达到平衡需要的时间，但催化剂的活性与温度有关，对于合成氨使用的催化剂，在500℃左右活性最大，因此选择500℃左右的温度。
那么合成氨工业采用什么催化剂呢 1909年德国化工专家哈伯发现了锇（é）催化剂，但锇是贵重金属，以锇为催化剂不利于合成氨的普及。后来，德国化学家波施经过两万多次的实验，终于得到了理想的以Fe为主体，含少量K、Mg、Al和Ca的多成分催化剂，一直使用到今天，工业上称为铁触媒。
[板书] 铁触媒——以铁为主体的多成分催化剂
[师]工业上在上述温度、压强和催化剂作用下，可使平衡混合气中NH3的体积分数达到多大呢 请同学们打开课本P49，看表2—5，看一下在500℃、20M Pa～50M Pa时NH3的体积分数大约为多少。 26．4％左右。
[师]显然，NH3的产率并不太高，那么还需要采取什么措施来提高NH3 的产率呢
改变浓度。
[师]对，从前边的分析可知，增大反应物的浓度或减小生成物的浓度，均可使化学平衡正向移动。那么工业上是如何增大反应物浓度、减小生成物浓度的呢 下面请大家注意看合成氨的录像，注意看工业上为提高反应物转化率，在浓度方面采取了什么措施 合成氨的反应在什么设备中进行的 这个设备有何特点 气体在其中是如何流动的
[放录像]
[师]从录像中看出，为提高原料的利用率，在生产过程中还采取了哪些措施
把NH3液化分离出去，N2、H2混合气体循环使用，及时补充N2和H2。
[板书] 4．浓度：分离出NH3 后的N2 、H2循环使用，并及时补充原料气。
[问]大家注意到补充原料气时N2和H2的比例了吗 1∶3
[师]对，N2和H2开始以1∶3的体积比进入合成塔，分离出来的气体中N2和H2仍为1∶3，再以1∶3的体积比补充原料气，就可以使反应物始终保持一定的浓度，避免了不断调整反应物配比的麻烦。
那么，从平衡混合气中分离出NH3，利用了氨气的什么性质呢 易液化。
[师]合成氨是在什么设备中进行的 合成塔。
[展示]合成塔模型。
[师]请大家结合刚才的录像，说一说合成塔结构上有什么特点。
①有耐高压的厚壁2②安放有厚层的催化剂，③有热交换器。
[师]由于合成氨的反应是放热反应，通过热交换器，可以预热氮、氢混合气体，使热量得到充分利用。那么这样的设备是不是最好的设备呢 将来还有可能有更好的设备吗 请同学们阅读课本——合成氨工业的发展前景。
[板书] 二、合成氨工业的发展前景
[师]看完后请同学们讨论一下，如果你是一位工程师，你想采取什么办法来进一步提高氨产量 或降低合成氨的成本
①研制新的能承受高压的材料。②研制新的能产生高压的设备。③研制合成新的催化剂。
[师]合成氨条件的选择是与科技进步及动力、材料、设备等条件的改善紧密联系的，随着科技的发展，我国合成氨工业获得了迅速发展，1949年全国氮肥产量仅0．6万吨，而1982年达到1021．9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。目前一些科学家正努力研制新的催化剂，试图使合成氨的反应在较低温度下进行。那么，如果新的催化剂研制成功，会不会减缓合成氨生产中对压强的要求而减少设备制造的投资呢
[学生讨论后可能得出以下两种结论]
一、不会。因为催化剂只能加快反应速率而不能引起平衡移动，而增大压强是为了使平衡向正反应方向移动，以增大NH3的产量。
二、会。因为新催化剂可以使反应在较低温度下就有很大的反应速率，这样降低了反应所需温度，低温有利于平衡正向移动，增大NH3的产量，这样就可以减缓生产中对压强的要求而减少设备制造的投资。
[教师总结]同学们说得都有道理，增大压强和降低温度都有利于提高NH3的产量，并不矛盾，所以若能研制出新的催化剂，降低反应所需温度，又能研制出能承受高压且廉价的新材料，岂不更好 希望同学们努力学习，为我国合成氨工业的发展再上一个新台阶作出贡献。
下面请同学们回忆一下合成氨化工生产条件的选择依据，回答下列问题：
[投影]在制硫酸的工业生产中，有以下反应：2SO2(g)+ O2 (g) ?2SO3(g)(正反应为放
热反应)，反应温度为450℃，使用V2O5为催化剂。在此条件下，如果压强为0．1M Pa，SO2的转化率为97．5％；压强为10M Pa，SO3转化率为99．3％。回答：
(1)工业生产中选择450℃左右的温度，原因是什么
(2)增大压强时合成SO3是否有利 在实际生产中应如何选择压强 为什么
(3)生产中要用过量的空气，为什么
答案：(1)为了加快反应速率且使催化剂活性最强，所以选择450℃。
(2)有利。在实际生产中应采取常压，因常压下反应物已有很高转化率，增大压强虽然可提高SO2转化率，但对设备要求也高，得不偿失。
(3)用过量的空气，可增大反应物中O2的浓度，从而加快反应速率，并提高SO3的转化率。
[布置作业]P50一、二、三、四、五
PAGE
§2—4合成氨条件的选择——4

展开更多......

收起↑