第四節(jié) 合成氨條的選擇

從容說
合成氨工業(yè)對化學(xué)工業(yè)和我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。本節(jié)內(nèi)容體現(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)實踐的指導(dǎo)作用。能夠培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的意識。通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，也可進(jìn)一步加深學(xué)生對所學(xué)理論的理解。從內(nèi)容上分，本節(jié)共介紹了兩個知識點。其一主要是通過討論引導(dǎo)學(xué)生運用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理等知識，綜合考慮合成氨生產(chǎn)中動力、設(shè)備、等的實際情況，合理地選擇合成氨的生產(chǎn)條；其二是拓寬思路，探討合成氨的發(fā)展前景。當(dāng)然，前者是本節(jié)教學(xué)的重點和難點。
在教學(xué)中，針對合成氨反應(yīng)是一個放熱的、氣體總體積縮小的可逆反應(yīng)，首先要求學(xué)生運用已學(xué)過的知識，討論增大合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率所應(yīng)采取的措施。在此基礎(chǔ)上，再要求學(xué)生根據(jù)提供的有關(guān)實驗數(shù)據(jù)，討論提高平衡混合物中NH3的含量所應(yīng)采取的方法。然后，結(jié)合合成氨生產(chǎn)中動力、、設(shè)備、催化劑活性等實際情況，通過具體分析，得出合成氨時壓強(qiáng)、溫度、催化劑等的最佳條。此外，應(yīng)通過合成氦生產(chǎn)過程示意圖、濃度等條對合成氨的影響，原料的循環(huán)使用等問題，使學(xué)生理解合成氨條的選擇應(yīng)以提高經(jīng)濟(jì)效益為目的。
本節(jié)第二部分內(nèi)容的教學(xué)，其目的不在于知識本身，而是更多地側(cè)重了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科學(xué)方法的訓(xùn)練，教學(xué)過程中應(yīng)適度把握。
●教學(xué)目標(biāo)
1. 使學(xué)生理解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理，選擇合成氨的適宜條。
2. 使學(xué)生了解應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條的思路和方法。
3. 通過運用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理選擇合成氨的適宜條，培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力以及對所學(xué)理論的應(yīng)用能力。
4. 通過對合成氨工業(yè)未的展望，激發(fā)學(xué)生熱愛祖國、刻苦學(xué)習(xí)的激情。
●教學(xué)重點
應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理選擇合成氨的適宜條
●教學(xué)難點
使學(xué)生理解如何用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的原理選擇合成氨的適宜條
●時安排
一時
●教學(xué)方法
1. 通過復(fù)習(xí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動的有關(guān)知識，啟發(fā)學(xué)生得出應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條的思路和依據(jù)，并結(jié)合生產(chǎn)實際，討論得出合成氨的適宜條。
2. 通過觀看合成氨的錄像，使學(xué)生了解濃度對合成氨的影響及原料氣的循環(huán)使用等問題。
3. 通過閱讀和討論，使學(xué)生明確化工生產(chǎn)條并非一成不變，激勵學(xué)生為選擇更好的合成氨條而努力學(xué)習(xí)。
●教具準(zhǔn)備
合成氨錄像帶、合成塔模型、投影儀、膠片
●教學(xué)過程
［復(fù)習(xí)提問］
1. 影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有哪些？
［生］濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑等。
2. 要使一個化學(xué)平衡發(fā)生移動，可改變哪些條？
［生］濃度、溫度，有氣體的反應(yīng)可改變壓強(qiáng)。
［師］在化工生產(chǎn)上選擇生產(chǎn)條，離不開化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的有關(guān)知識，我們這節(jié)就學(xué)習(xí)合成氨條的選擇。
［板書］第四節(jié) 合成氨條的選擇
［師］請大家寫出合成氨的化學(xué)方程式。
［一個學(xué)生板演］N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
［師］請大家結(jié)合我們第一所學(xué)知識，說出這個反應(yīng)有何特點？
［生］學(xué)生甲：反應(yīng)物和生成物全為氣體。學(xué)生乙：是氣體體積縮小的可逆反應(yīng)。學(xué)生丙：正反應(yīng)是放熱反應(yīng)。
［教師提示］該反應(yīng)常溫常壓下容易進(jìn)行嗎？為什么？
［生］N2分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，N≡N不易斷裂。
［討論］如果你是一個合成氨工廠的技術(shù)人員，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，即提高氨氣的產(chǎn)量，你首先要考慮什么問題？
結(jié)論：1. 如何加快反應(yīng)速率；2. 如何提高NH3在平衡混合氣中的含量。
［師］那么我們要快合成氨的反應(yīng)速率而且還要使平衡盡可能正向移動，可以采取哪些措施呢？請同學(xué)們討論以后填寫下表。
［投影］
目的
選擇
條使NH3生產(chǎn)得快（從速率分析）使NH3生產(chǎn)得多（從平衡分析）
壓強(qiáng)
溫度
催化劑
濃度
說明：有條的學(xué)校可把上表制成多媒體，學(xué)生討論后，邊回答，邊顯示出正確答案，最后得出如下結(jié)果：
目的
選擇
條使NH3生產(chǎn)得快（從速率分析）使NH3生產(chǎn)得多（從平衡分析）
壓強(qiáng)增大壓強(qiáng)增大壓強(qiáng)
溫度升高溫度降低溫度
催化劑使用催化劑無影響
濃度增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度減小生成物濃度
［師］下面我們就根據(jù)上表和化工生產(chǎn)的實際情況，分析一下合成氨的適宜條。
［板書］一、合成氨的條選擇
1. 壓強(qiáng)
［師］從上表可以看出，從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動分別考慮，對壓強(qiáng)的要求是一致的，增大壓強(qiáng)，既能加快反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡的時間，又能提高氨氣在平衡混合氣中的含量，那么是不是壓強(qiáng)越大越好？一般采取多大壓強(qiáng)？請同學(xué)們打開本，閱讀P50。
［生］因為壓強(qiáng)越大，需要的動力越高，對材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求也越高，這會大大增加投資，并可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。目前合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)是20 Pa～50 Pa。
［板書］20 Pa～50Pa
［師］下面我們再看溫度的選擇
［板書］2. 溫度
［師］從上表分析，高溫有利于加快反應(yīng)速率，但卻降低了平衡時氨氣在混合氣體中的含量，低溫可以提高氨氣在平衡混合氣中的含量，但反應(yīng)速率慢，需要很長時間才能達(dá)到平衡狀態(tài)，這在化工生產(chǎn)上也是很不經(jīng)濟(jì)的。所以溫度不能太低，也不能太高，工業(yè)上一般在500℃左右的溫度下進(jìn)行。
［板書］500℃左右
［師］選擇500℃左右的溫度，還與另外一個因素有關(guān)，那就是催化劑的使用。
［板書］3. 催化劑
［師］合適的催化劑能成萬倍的增大化學(xué)反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)達(dá)到平衡需要的時間，但催化劑的活性與溫度有關(guān)，對于合成氨使用的催化劑，在500℃左右時活性最大，因此選擇500℃左右的溫度。
那么合成氨工業(yè)采用什么催化劑呢？1909年德國化工專家哈伯發(fā)現(xiàn)了鋨催化劑，但鋨是貴重金屬，以鋨為催化劑不利于合成氨的普及，后，德國化學(xué)家波施經(jīng)過兩萬多次的實驗，終于得到了理想的以Fe為主體，含少量、g、Al和Ca的多成分催化劑，一直使用到今天，工業(yè)上稱為鐵觸媒。
［板書］鐵觸媒——以鐵為主體的多成分催化劑。
［師］工業(yè)上在上述溫度、壓強(qiáng)和催化劑作用下，可使平衡混合氣中NH3的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到多大呢？請同學(xué)們打開本49頁，看表2—5，看一下在500℃、20 Pa～50 Pa時NH3的體積分?jǐn)?shù)大約為多少？
［生］26.4%左右。
［師］顯然，NH3的產(chǎn)率并不太高，那么還需要采取什么措施提高NH3的產(chǎn)率呢？
［生］改變濃度。
［師］對，從前邊的分析可知，增大反應(yīng)物的濃度或減小生成物的濃度，均可使化學(xué)平衡正向移動，那么工業(yè)上是如何增大反應(yīng)物濃度減小生成物濃度的呢？下面請大家注意看合成氨的錄像，注意看工業(yè)上為提高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率，在濃度方面采取了什么措施？合成氨的反應(yīng)在什么設(shè)備中進(jìn)行的，這個設(shè)備有何特點？氣體在其中是如何流動的？
（放錄像）
［師］從錄像中看出，為提高原料的利用率，在生產(chǎn)過程中還采取了哪些措施？
［生］把NH3液化分離出去，N2、H2混合氣體循環(huán)使用，及時補(bǔ)充N2和H2。
［板書］4. 濃度：分離出NH3后的N2、H2循環(huán)使用，并及時補(bǔ)充原料氣。
［問］大家注意到補(bǔ)充原料氣時N2和H2的比例了嗎？
［生］1∶3。
［師］對，N2和H2開始以1∶3的體積比進(jìn)入合成塔,分離出的氣體中N2和H2仍為
1∶3，再以1∶3的體積比補(bǔ)充原料氣，就可以使反應(yīng)物始終保持一定的濃度，避免了不斷調(diào)整反應(yīng)物配比的麻煩。
那么，從平衡混合氣中分離出NH3，利用了氨氣的什么性質(zhì)呢？
［生］易液化。
［師］合成氨是在什么設(shè)備中進(jìn)行的？
［生］合成塔。
［展示］合成塔模型
［師］請大家結(jié)合剛才的錄像，說一說合成塔結(jié)構(gòu)上有什么特點？
［生］①有耐高壓的厚壁；②安放有厚層的催化劑；③有熱交換器。
［師］由于合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，通過熱交換器，可以預(yù)熱氮、氫混合氣體，使熱量得到充分利用，那么這樣的設(shè)備是不是最好的設(shè)備呢？將還有可能有更好的設(shè)備嗎？請同學(xué)們閱讀本——合成氨工業(yè)的發(fā)展前景。
［板書］二、合成氨工業(yè)的發(fā)展前景
［師］看完后請同學(xué)們討論一下，如果你是一位工程師，你想采取什么辦法進(jìn)一步提高氨產(chǎn)量？或降低合成氨的成本？
［生］①研制新的能承受高壓的材料。②研制新的能產(chǎn)生高壓的設(shè)備。③研制合成新的催化劑。
［師］合成氨條的選擇是與科學(xué)進(jìn)步、動力、材料、設(shè)備等條的改善緊密聯(lián)系的，隨著科技的發(fā)展，我國合成氨工業(yè)已有迅速發(fā)展，1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸，而1982年達(dá)到1021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。目前一些科學(xué)家正努力研制新的催化劑，試圖使合成氨的反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行。那么，如果新的催化劑研制成功，會不會減緩合成氨生產(chǎn)中對壓強(qiáng)的要求而減少設(shè)備制造的投資呢？
［學(xué)生討論后可能得出以下兩種結(jié)論］一、不會。因為催化劑只能加快反應(yīng)速率而不能引起平衡移動，而增大壓強(qiáng)是為了使平衡向正反應(yīng)方向移動，以增大NH3的產(chǎn)量。二、會，因為新催化劑可以使反應(yīng)在較低溫度下就有很大的反應(yīng)速率，這樣降低了反應(yīng)所需溫度，低溫有利于平衡正向移動，增大NH3的產(chǎn)量，這樣就可以減緩生產(chǎn)中對壓強(qiáng)的要求而減少設(shè)備制造的投資。
［教師］同學(xué)們說得都有道理，增大壓強(qiáng)和降低溫度都有利于提高NH3的產(chǎn)量，并不矛盾，所以若能研制出新的催化劑，降低反應(yīng)所需溫度，又能研制出能承受高壓且廉價的新材料，豈不更好？希望同學(xué)們好好學(xué)習(xí)，為我國合成氨工業(yè)的發(fā)展更上一個新臺階做出貢獻(xiàn)。
下面請同學(xué)們回憶一下合成氨化工生產(chǎn)條的選擇依據(jù)，回答下列問題：
［投影］在制硫酸的工業(yè)生產(chǎn)中，有以下反應(yīng)：2SO2（g）+O2(g) 2SO3(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），反應(yīng)溫度為450℃，使用V2O5為催化劑。在此條下，如果壓強(qiáng)為0.1 Pa，SO2的轉(zhuǎn)化率為97.5%；壓強(qiáng)為10 Pa，SO2轉(zhuǎn)化率為99.3%，回答：
（1）工業(yè)生產(chǎn)中選擇450℃左右的溫度，原因是什么？
（2）增大壓強(qiáng)時合成SO3是否有利？在實際生產(chǎn)中應(yīng)如何選擇壓強(qiáng)？為什么？
（3）生產(chǎn)中要用過量的空氣，為什么？
［答案］（1）為了加快反應(yīng)速率且使催化劑活性最強(qiáng)，所以選擇450℃。
（2）有利。在實際生產(chǎn)中應(yīng)采取常壓，因常壓下反應(yīng)物已有很高轉(zhuǎn)化率，增大壓強(qiáng)雖然可提高SO2轉(zhuǎn)化率，但對設(shè)備要求也高，得不償失。
（3）用過量的空氣，可增大反應(yīng)物中O2的濃度，從而加快反應(yīng)速率，并提高SO2的轉(zhuǎn)化率。
［布置作業(yè)］P50一、二、三、四、五
●板書設(shè)計
第四節(jié) 合成氨條的選擇
一、合成氨的條選擇
1. 壓強(qiáng)：20 Pa～50 Pa
2. 溫度：500℃左右
3. 催化劑：鐵觸媒——以鐵為主體的多成分催化劑。
二、合成氨工業(yè)的發(fā)展前景
●教學(xué)說明
應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條是本節(jié)的重點內(nèi)容，因此在本節(jié)的教學(xué)中我通過引導(dǎo)學(xué)生分析合成氨的反應(yīng)特點，啟發(fā)學(xué)生從加快反應(yīng)速率和促進(jìn)平衡正向移動討論生產(chǎn)條，以加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，并提高其應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力。在教學(xué)中，通過放錄像和觀看合成塔模型，使學(xué)生對合成氨的生產(chǎn)過程和設(shè)備有所了解，并增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后從合成氨的設(shè)備引出合成氨的前景討論，在活躍的堂氣氛中，使學(xué)生輕松地掌握本節(jié)的知識。
［參考練習(xí)］
1．工業(yè)上合成氨時一般采用500℃左右的溫度，其原因是( )
A．適當(dāng)提高NH3的合成速率
B．提高H2的轉(zhuǎn)化率
C．提高NH3的產(chǎn)率
D．催化劑在500℃左右活性最大
答案：AD
2．對于合成氨的反應(yīng)說，使用催化劑和施以高壓，下列敘述中正確的是( )
A．都能提高反應(yīng)速率，都對化學(xué)平衡狀態(tài)無影響
B．都對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響，都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間
C．都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間，只有壓強(qiáng)對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響
D．催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間，而壓強(qiáng)無此作用
答案：C
3．在一定條下，合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡后，混合氣體中NH3的體積占25％，若反應(yīng)前后
條保持不變，則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積的比值是( )
A．1／5 B．1／4 C．1／3 D.1／2
答案：A

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