第二章化学反应的方向、限度与速率
第四节化学反应条件的优化----工业合成氨
制作：贾爱军审核：陈霞
【学习目标】
1.理解如何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。
2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。
3.使学生通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产
中的重要作用。
【教学重点、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
【知识链接】化学反应速率和化学平衡知识。
【知识梳理】
1.阅读教材65页“交流研讨”
写出合成氨反应的化学方程式，该反应的特点是
，试计算在常温下该反应能否自发进行。
2.阅读教材66页，从化学平衡角度分析，为了提高反应的限度可以采取的措施：
浓度；温度；压强。
3.阅读66---67页，从化学反应速率角度分析，为加快反应速率可以采取的措施：
浓度；温度；压强；催化剂。
4.阅读67---68页完成以下问题：
①选择生产条件的依据是
3、生产过程简介（自读了解）
【巩固练习】
1、在合成氨工业中，为增加氨的日产量，下列变化过程中不能使平衡向右移动的是（）
A、不断将氨分离出来
B、使用催化剂
C、采用5000C左右的温度
D、采用2×107～5×107Pa的压强
2、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（）
A、延长反应时间
B、充入过量H2
C、充入过量N2
D、升高温度
3、关于氨的合成工业的下列说法正确的是（）
A、从合成塔出来的气体，其中氨一般占13﹪～14﹪，所以生产氨的工业的效率都很低
B、由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来氨的产率很高
C、合成氨工业的反应温度控制在500 ℃左右，目的是使平衡向正反应方向进行
D、合成氨工业采用20MPa～50MPa ，是因该条件下催化剂的活性最好
4、下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：X
2(g)+2Y2 (g)X2Y4 (g)（正反应为放热反应）( )
A、高温高压
B、低温低压
C、高温低压
D、高压低温
5、已知3H 2(g)+N2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，下面用v表示化学反应速率。（1）增大N2的浓度，v（正）将，N2的转化率将。
（2）升高温度，v（正）将，平衡将向移动。
（3）在压强不变的情况下，通入氦气，平衡将向移动，N2的浓度将。
（4）工业上合成氨，常选择500℃，20MPa～50MPa的外界条件，并加入催化剂，还将产物，分离出氨，并循环使用未反应的N2和H2。
【巩固练习】
1、某温度下，可逆反应A(g)+3B（g）2C(g)达到平衡状态的标志是（）
A、C生成的速率与C分解的速率相等
B、A、B、C的浓度相等
学科：化学 教学内容：合成氨条件的选择 【基础知识精讲】 1.合成氨反应的理论应用 合成氨反应原理： N2+3H22NH3(正反应为放热反应) 反应特点是：①可逆反应；②气体总体积缩小的反应；③正反应为放热反应. 根据上述反应特点，从理论上分析： (1)使氨生成得快的措施(从反应速率考虑)：①增大反应物的浓度；②升高温度；③加大压强；④使用催化剂. (2)使氨生成得多的措施(从平衡移动考虑)：①增大反应物的浓度同时减小生成物的浓度；②降低温度；③增大压强. 2.合成氨条件的选择 在实际生产中，既要考虑氨的产量，又要考虑生产效率和经济效益，综合以上两方面的措施，得出合成氨的适宜条件的选择： 浓度：一般采用N2和H2的体积比1∶3，同时增大浓度，不加大某种反应物的浓度，这是因为合成氨生产的原料气要循环使用.按1∶3循环的气体体积比，仍会保持1∶3. 温度：合成氨是放热反应，降低温度虽有利于平衡向正反应方向移动，但温度过低，反应速率过慢，所以温度不宜太低，在500℃左右为宜，而且此温度也是催化剂的活性温度范围. 压强：合成氨是体积缩小的可逆反应，所以压强增大，有利于氨的合成，但压强过高时，对设备的要求也就很高，制造设备的成本就高，而且所需的动力也越大，应选择适当的压强，一般采用2×107Pa～5×107Pa. 催化剂：用铁触媒作催化剂，能加快反应速率，缩短达到平衡时间. 可将合成氨的适宜条件归纳为： ①增大氨气、氢气的浓度，及时将生成的氨分离出来；②温度为500℃左右；③压强为2×107Pa～5×107Pa；④铁触媒作催化剂. 3.合成氨的工业简述 合成氨工业的简要流程图： (1)原料气的制取. N2：将空气液化、蒸发分离出N2，或将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2. H2：用水和焦炭(或煤、石油、天然气等)在高温下制取，如
6.3-2《合成氨反应及其反应条件的选择》教学设计 东昌中学林夕勋2011.5.3 教学设计思路： 以“合成氨反应的发生和工业生产反应条件的研究”历史为主线，让学生感受科学家科学探索的过程，体验科学难题研究的方法和态度对于科研研究的重要意义，同时通过对哈伯的科学精神和道德价值的认识，结合目前国内食品添加剂的安全和生产道德，对学生进行科学道德的教育，树立正确的人生价值观；在学习了化学反应速度和化学平衡移动原理以后，用该理论研究工业合成氨生产反应条件的选择，体验科学理论对工业生产的重要指导意义，同时考虑工业生产中设备、材料等的实际情况和综合的经济效益，合理地选择适宜的生产条件；通过对合成氨反应催化剂技术的发展前景的设想，体验科学发展无极限，体验科学创新精神和意识。 第一部分：阅读“勒夏特列、能斯特、哈伯”三位杰出科学家合成氨反应的研究故事，体验科学难题研究的方法和态度对于科研研究的重要意义。 第二部分：合成氨反应条件选择的理论分析和实际生产选择的讨论。引导学生运用化学反应速率和化学平衡原理等知识，从反应速率的角度和从化学平衡的角度来分析，合成氨反应对外界条件（温度、压强、催化剂）的选择要求；再考虑合成氨生产中动力、设备、材料等的实际情况，从实际出发合理地选择合成氨的生产条件；结合合成氨生产过程示意图，简单分析浓度对合成氨生产的影响，以及原料的循环使用等问题，从提高综合经济效益的角度，来理解合成氨反应适宜条件的选择和操作要求。第三部分：合成氨工业发展前景——催化剂技术。（生物技术和催化剂技术——酶。“盐酸酶能把食盐直接变成盐酸”）从拓宽学生的思路出发，主要目的不在于知识本身，而更多地应侧重于培养学生的创新精神和训练科学方法。 一．教学目标 1、知识与技能 （1）掌握工业合成氨的反应条件 （2）掌握工业合成氨反应条件的选择依据 2、过程与方法 （1）通过阅读合成氨反应的发展史，体验科学家探索科学难题的过程和方法。 （2）通过对合成氨反应条件选择的讨论，理解化学理论对实际化工生产的指导意义。 3、情感态度与价值观 （1）通过三位杰出科学家对合成氨反应的研究故事，感悟科学研究的态度和方法； （2）认识哈伯的科学态度和道德价值观，树立科学和道德正确的人生价值观。 (3)激发学生对化学及化学工业的兴趣. 二．教学重点和难点 1、重点： （1）体验科学难题探索的方法和态度，人生价值观教育； （2）合成氨适宜生产条件的选择。 2、难点： 合成氨适宜生产条件的选择。 三．教学方式： 阅读、讲解、问题讨论 四．教学流程 引入：一个化学反应能解决几十亿人的吃饭问题，有人称其为“明星反应”，你知道是哪个
第二章化学反应的方向、限度与速率 第四节化学反应条件的优化----工业合成氨 制作：贾爱军审核：陈霞 【学习目标】 1.理解如何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。 2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。 3.使学生通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产 中的重要作用。 【教学重点、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 【知识链接】化学反应速率和化学平衡知识。 【知识梳理】 1.阅读教材65页“交流研讨” 写出合成氨反应的化学方程式，该反应的特点是 ，试计算在常温下该反应能否自发进行。 2.阅读教材66页，从化学平衡角度分析，为了提高反应的限度可以采取的措施： 浓度；温度；压强。 3.阅读66---67页，从化学反应速率角度分析，为加快反应速率可以采取的措施： 浓度；温度；压强；催化剂。 4.阅读67---68页完成以下问题： ①选择生产条件的依据是 3、生产过程简介（自读了解）
【巩固练习】 1、在合成氨工业中，为增加氨的日产量，下列变化过程中不能使平衡向右移动的是（） A、不断将氨分离出来 B、使用催化剂 C、采用5000C左右的温度 D、采用2×107～5×107Pa的压强 2、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（） A、延长反应时间 B、充入过量H2 C、充入过量N2 D、升高温度 3、关于氨的合成工业的下列说法正确的是（） A、从合成塔出来的气体，其中氨一般占13﹪～14﹪，所以生产氨的工业的效率都很低 B、由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来氨的产率很高 C、合成氨工业的反应温度控制在500 ℃左右，目的是使平衡向正反应方向进行 D、合成氨工业采用20MPa～50MPa ，是因该条件下催化剂的活性最好 4、下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：X 2(g)+2Y2 (g)X2Y4 (g)（正反应为放热反应）( ) A、高温高压 B、低温低压 C、高温低压 D、高压低温 5、已知3H 2(g)+N2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，下面用v表示化学反应速率。（1）增大N2的浓度，v（正）将，N2的转化率将。 （2）升高温度，v（正）将，平衡将向移动。 （3）在压强不变的情况下，通入氦气，平衡将向移动，N2的浓度将。 （4）工业上合成氨，常选择500℃，20MPa～50MPa的外界条件，并加入催化剂，还将产物，分离出氨，并循环使用未反应的N2和H2。 【巩固练习】 1、某温度下，可逆反应A(g)+3B（g）2C(g)达到平衡状态的标志是（） A、C生成的速率与C分解的速率相等 B、A、B、C的浓度相等
合成氨条件的选择 姓 名 _________ 一. 重点、难点 1. 使学生理解合成氨的化学原理，并能应用化学反应速率和化学平衡理论，选择合成氨的适宜条件，从而培养学生分析问题和解决问题的能力。 2. 了解合成氨工业生产的主要流程。 3. 向学生介绍我国解放后合成氨工业的发展情况，对学生进行爱国主义教育。 二. 具体内容 自学提纲：1. 影响化学反应速率的因素有哪些？是如何影响的？2. 影响化学平衡的条件有哪些？是如何影响的？3. 应用化学平衡原理分析，要制得更多的氨，可以采用哪些措施？ （一）原理 唯物辩证法告诉我们：一切从实际出发，要全面地分析问题．综合考虑化学反应速率和化学平衡移动的条件，再根据工业生产的特点和实际需要，才能正确地选择合成氨工业的适宜条件。 （二）适宜条件的选择 1. 压强。增大压强，有利于3NH 的合成，但在实际生产中，压强不可能无限制的增大，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，势必增大生产成本，降低综合经济效益。因此，受动力、材料、设备等条件的限制，目前我国合成氨厂一般采用的压强是 MPa 20～MPa 50。 2. 温度。合成氨为放热反应，低温有利于氨的生成。但是温度越低，反应速率就慢，到达平衡所需要的时间越长，因而单位时间内产量低，这在工业生产中是很不经济的。综合考虑各种因素，在实际生产上，采用500℃的温度，此时催化剂的活性最大。 3. 催化剂。由于2N 分子非常稳定， 2N 与 2H 的化合十分困难，即使采用了加热与高压的条件，合成 氨的反应还是十分缓慢。为了加快化合反应速率，降低反应所需要的能量，合成氨工业普遍使用铁触媒作催化剂。合成氨的化学反应原理可以用以下化学方程式表示： （三）生产过程简介1. 原料气的制备：N 2来自空气H 2： 原料：空气、水和燃料 据反应条件，使用合适的催化剂——防止催化剂“中毒”——原料气要净化．高压生产——氮、氢混合气要用压缩机压缩到高压。 2. 氨的合成：氮、氢混合气经过净化压缩以后进入合成塔。合成塔生产的特点和条件： ① 高压 ② 发生在催化剂存在下的放热反应 ③ 适当的温度 为了符合这些条件，合成塔的构造应该： ① 有耐高压的厚壁 ② 有能够安放厚层触媒的设备（接触室） ③ 塔壳外用绝热材料包裹，塔内有进行热交换的设备（热交换器）展示 挂图（一种合成塔的内部构造示意图）依次看氨合成塔的部构造模型。 3. 氨的分离 在实际生产中，不断补充、（增大反应物浓度），采取迅速冷却的方法（减小生成物浓度）， 使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡不断地向着生成 的方向移动。
第4节化学反应条件的优化—工业合成氨 1．有关合成氨工业的说法中，正确的是( ) A．从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低 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 ℃，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2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大 解析：合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使生产氨的产率都较高，故A 项错误，B项正确；合成氨工业选择500 ℃左右的温度，是综合了多方面的因素确定的，因 合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，故C项错误；无论从反应 速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，基 于此选择了2×107～5×107 Pa的高压，催化剂活性最大时的温度是500 ℃，故D项错误。 答案：B 2．工业合成氨的反应是在500 ℃左右进行的，这主要是因为( ) A．500 ℃时此反应速率最快 B．500 ℃时NH3的平衡浓度最大 C．500 ℃时N2的转化率最高 D．500 ℃时该反应的催化剂活性最大 解析：工业合成氨反应采用500 ℃的温度，有三个方面的原因：①有较高的反应速率； ②反应物有较大的转化率；③催化剂的活性最大。 答案：D 3．合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率增快，不可采取的方法是( ) A．补充N2B．升高温度 C．增大压强 D．分离出NH3 解析：补充N2、增大压强既能加快反应速率，又能促进平衡向生成氨的大向移动；分离 出NH3，能使平衡向生成氨的方向移动，反应速率是提高的；升高温度能加快反应速率，但 不利于氨的生成。 答案：B 4．(双选题)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，在673 K、30 MPa下n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图 所示。下列叙述正确的是( ) ?
1. 合成氨工业 (1)简要流程 (2)原料气的制取 N2：将空气液化、蒸发分离出N2或将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。 H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气)在高温下制取。用煤和水制H2的主要反应为： (3)制得的H2、N2需净化、除杂质，再用压缩机制高压。 (4)氨的合成：在适宜条件下，在合成塔中进行。 (5)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率，并将没有完全反应的N2和H2循坏送入合成塔，使之充分利用。 2.合成氨条件的选择 (1)合成氨反应的特点：合成氨反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应： (2)合成氨生产的要求： 合成氨工业要求： ○1反应要有较大的反应速率； ○2要最大限度的提高平衡混合物中氨气的含量。 (3)合成氨条件选择的依据: 运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。 反应条件对化学反应速 率的影响对平衡混合物中 NH3的含量的影响 合成氨条件的选择 增大压强有利于增大化 学反应速率有利于提高平衡混 合物中NH3的产量 压强增大，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等的要 求高，因此，工业上一般采用 20MPa—50MPa的压强 升高温度有利于增大化 学反应速率不利于提高平衡混 合物中NH3的产量 温度升高，化学反应速率增大，但不利于提高平衡混合物中NH3的含 量，因此合成氨时温度要适宜，工业上一般采用500℃左右的温度(因 该温度时，催化剂的活性最强) 使用催化剂有利于增大化 学反应速率 没有影响催化剂的使用不能使平衡发生移动，但能缩短反应达到平衡的时间， 工业上一般选用铁触媒作催化剂，使反应在尽可能低的温度下进行。 ○1温度：500℃左右 ○2压强：20MPa—50MPa ○3催化剂：铁触媒
资源信息表
§化工生产能否做到又快又多（共一课时） [设计思想] 本节教材体现了化学反应速率和勒夏特列原理等理论对工业生产实践的指导作用，同时在运用理论的过程中，也可进一步加深学生对所学理论的理解。 本节课的教学分为两部分：第一部分主要简单了解接触法制硫酸的工业原理及其生产过程。第二部分可作为重点，通过讨论，引导学生充分运用化学反应速率和勒夏特列原理等知识，并考虑合成氨生产中动力、设备、材料等实际情况，合理地选择合成氨适宜的生产条件。此外，在教学中，使学生建立化工生产条件的选择应以提高综合经济效益和减少环境污染为目的的思想。 一．教学目标 1、知识与技能 工业生产上（合成氨、制硫酸）反应条件的选择依据（B） 2、过程与方法 （1）通过制硫酸、合成氨工业生产的学习，认识化学原理在化工生产中的重要应用。 （2）通过制硫酸、合成氨生产中动力、设备等条件的讨论，认识工业生产上反应条件的选择依据。 3、情感态度与价值观 感悟化学原理对生产实践的指导作用，并懂得一定的辩证思维和逻辑思维。 二．教学重点和难点 1、重点 硫酸工业生产过程；选择合成氨适宜的生产条件 2、难点 选择合成氨适宜的生产条件 三．教学用品 多媒体、实物投影仪
四．教学流程 1、流程图 2、流程说明 引入课题： 展现课题，明确化工生产所要关注的问题。 学生活动1：阅读课本62页相关内容。引出硫酸工业生产原理。应用所学知识分析提高二氧化 硫转化率的可能途径。 师生互动 1：共同分析表1。 表1 学生活动4表2 归纳小结2：表3——合成氨中理论和实际生产条件的对比。 表3 理论和实际生产条件的对比
第四节合成氨条件的选择（一） 教学目标： 使学生理解合成氨的化学原理，并能应用化学反应速率和化学平衡理论指导合成氨条件的选择，从而培养学生分析问题、解决问题的能力。 通过本节课的教学，让学生明确工业生产中生产条件的选择。 教学设想： 课本通过对合成氨反应特点的分析，引导学生通过P49的两个讨论问题，让学生结合反应速率和平衡移动原理对合成氨条件的选择。接下来指出工业生产中由于条件的限制，分析工业生产中合成氨的具体条件。应该说，课本中已经体现一定的探究教学思想。为此，教学过程中把教学模式定位在引导学生探究模式上（即采取“创设情景——提出问题——探讨研究——归纳总结”程序），以培养学生分析问题、解决问题的能力。 教学过程： 第一步、复习回顾 通过以下三个问题的回顾，激活学生原有认知结构中的知识。问题： 1、写出工业上合成氨的反应； 2、回顾氮气的化学性质； 3、简单回顾外界条件对化学反应速率、化学平衡的影响。 第二步、引导探究 首先，引导学生分析合成氨反应的特点（可逆、体积减小、正反应放热、反应较难进行——因为氮气很稳定）。 其次、提出问题：“假设聘你为某合成氨工厂的技术顾问，你将为提高生产效益提供那些参考意见？”（学生也许会从不同角度展开讨论，教师应有意识的把学生限定在加速合成氨反应速率和提高产率两个方面）。 第三、让学生变讨论边填写下列表格。 第五、提出问题、引导探究 问题1、从反应速率的角度，反应要求在高温下进行有利于加快反应速率；从化学平衡的角度，反应要求在低温度下进行有利于平衡右移。如何解决这一矛盾？ 问题2、资料表明，合成氨工业生产中，采用的条件一般是“20~50MPa、500℃、铁触媒”。如何理解这一反应条件的选择？
合成氨工业发展史 一、人口增加与粮食需求 农业出现在12000年以前，是人类企图用增加食物供给来增强自己生存的开始。那时的人口约1500万。在2000 年前，由于农业的发展使人口增加到2.5亿。到1650年，人口又增长一倍，达到5亿。然后，到1850年世界人口就翻了一番，高达10亿，这段历程仅仅花了200 年时间。80 年后的1930年，人口超过了20亿。这种增长速度还未减缓，到1985年地球上供养的人数已达50亿。如果每年以1985年人口的2％水平继续增长下去的话，到2020年的世界人口将是100亿左右。因此限制人口的增长势在必行。目前，人口自然增长率在世界范围内正开始下降，据美国华盛顿人口局（1997年）：2000年全球人口将由目前的58 亿增至61 亿，2025 年将达68 亿。人口局称，人口增长最快的是全球最贫困的国家。1996 年全球58 亿人中发展中国家的人口占了47 亿，占全球人口总增长率的98％。中国人口增长的形势也不容乐观。根据国家统计局的统计，中国人口已于1995年2 月15 日达到12亿。据预测，到2000 年中国人口将突破13.5亿。 显然，人类将面临日益严重的问题是给自己提供充足的食物和营养，以及从根本上限制人口增长。估计，到20 世纪末，严重营养不良的人数将达6.5 亿。解决问题的出路，必然需要科学的帮助，化学看来是最重要的学科之一。它之所以重要，首先是因为它能增加食物供给，其次它能给那些有意限制人口增长的人提供可靠的帮助。 在历史上，化学曾在扩大世界粮食供应过程中起过关键作用。这就是合成氨的发明和现代农药的使用，以及它们的工业化。 二、合成氨工业发展史 20 世纪初化学家们所面临的突出问题之一，是如何为大规模利用大气中氮找到一种实用的途径。氮化合物是肥料和炸药所必不可少的。但在当时，这种化合物的质量最优和最大来源是智利硝石。但智利地处南美而且远离世界工业中心；可是全世界无论何处，大气的五分之四都是氮。如果有人能学会大规模地、廉价地把单质的氮转化为化合物的形式，那么，氮是取之不尽、用之不竭的。 利用氮气与氢气直接合成氨的工业生产曾是一个较难的课题。合成氨从实验室研究到实现工业生产，大约经历了150年。直至1909年，德国物理化学家F ·哈伯（Fritz Haber，1868—1934）用锇催化剂将氮气与氢气在17.5MPa～20MPa和500℃～600℃下直接合成，反应器出口得到6％的氨，并于卡尔斯鲁厄大学建立一个每小时80g合成氨的试验装置。但是，在高压、高温及催化剂存在的条件下，氮氢混合气每次通过反应器仅有一小部分转化为氨。为此，哈伯又提出将未参与反应的气体返回反应器的循环方法。这一工艺被德国巴登苯胺纯碱公司所接受和采用。由于金属锇稀少、价格昂贵，问题又转向寻找合适的催化剂。该公司在德国化学家A ·米塔斯提议下，于1912 年用2500 种不同的催化剂进行了6500 次试验，并终于研制成功含有钾、铝氧化物作助催化剂的价廉易得的铁催化剂。而在工业化过程中碰到的一些难题，如高温下氢气对钢材的腐蚀、碳钢制的氨合成反应器寿命仅有80h 以及合成氨用氮氢混合气的制造方法，都被该以司的工程师 C ·博施（Carl Bosch，1874—1940）所解决。此时，德国皇帝威廉二世准备发动战争，急需大量炸药，而由氨制得的硝酸是生产炸药的理想原料，于是巴登苯胺纯碱公司于1912年在德国奥堡建成世界上第一座日产30t合成氨的装置，1913年9月9 日开始运转，氨产量很快达到了设计能力。人们称这种合成氨法为哈伯-博施法，它标志着工业上实现高压催化反应的第一个里程碑。由于哈伯和博施的突出贡献，他们分别获得1918、1931年度诺贝尔化学奖金。其他国家根据德国发表的论文也进行了研究，并在哈伯-博施法的基础上作了一些改进，先后开发了合成压力从低压到高压的很多其他方法（表18－1）。
高考化学考点解析全程复习考点：合成氨条件的选择 1．复习重点 1．如何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。 2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。 2．难点聚焦 1．合成氨条件的选择 工业上用N 2和H 2合成氨： N 2+3H 2 2NH 3+Q 从反应速率和化学平衡两方面看，选择什么样的操作条件才有利于提高生产效率和降低成本呢？ 从速率看，温度高、压强大（即N 2、H 2浓度大）都会提高反应速率； 从化学平衡看，温度低、压强大都有利于提高N 2和H 2的转化率。 可见，压强增大，从反应速率和化学平衡看都是有利于合成氨的。但从生产实际考虑，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越高，将使成本增大。故一般合成氨厂采用的压强是20~50MPa 帕斯卡。 而温度升高，有利于反应速率但不利于N 2和H 2的转化率。 如何在较低的温度下保持较大转化率的情况下，尽可能加快反应速率呢？选用合适的催化剂能达到这个目的。那么，较低的温度是低到什么限度呢？不能低于所用催化剂的活性温度。目前使用的催化剂是以铁为主体的多成分催化剂——又称铁触媒。其活性温度为450℃~550℃，即温度应在450~550℃为宜。将来如制出活性温度更低、活性也很在的新型催化剂时，合成氨使用的温度当然比现在要低，转化率就能更高了。 选择适宜的条件：根据N 2+3H 2 2NH 3+Q 这一反应的特点，运用化学反应速 率和化学平衡的理论来选择适宜条件。该反应为可逆、体积减小、正反应为放热等特点。 （1）适宜的压强：为何强调适宜？压强越大、有利于NH 3的合成，但太大，所需动力大，材料强度高，设备制造要求高，成本提高，选择2×107~5×107Pa 压强。 思考：工业上生产H 2SO 4：2SO 2(g)+O 2(g) 2SO 3(g)为何不采用加压方法？（因为在常压下SO 2的转化率已达91%，不需要再加压） （2）适宜的温度：温度越低越有利于NH 3的合成，为何还要选择5000C 高温？因为温度越低，反应速率越小，达平衡时间长，单位时间产量低，另外5000C 时，催化剂活性最大。 （3）使用催化剂 （4）及时分离出NH 3，并不断补充N 2和H 2（N 2要过量，提高成本较高的H 2转化率） 小结：合成氨的适宜条件： 压强：20~50MPa 帕斯卡 温度：500℃左右 催化剂：铁触媒 2．合成氨工业简述 1．原料气的制备、净化 ① 制N 2： 物理方法： 空气 液态空气 N 2 化学方法： 空气 CO 2+N 2 N 2 ②制H 2： 压缩 蒸发 炭 H 2O 燃烧 （去CO 2）
第四节化学反应条件的优化——工业合成氨 [教学目标] 1、研究如何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. 2、研究应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法. [教学过程] 分析:合成氨的反应特点 N2+3H22NH3正反应为放热反应正反应为气体体积减小的反应 请根据正反应的焓变和熵变分析在298K下合成氨反应能否自发进行能自发进行 一、自主获取信息 (一)合成氨的反应限度 请同学们根据合成氨反应的特点,利用影响化学平衡移动的因素,分析什么条件有利于氨生成。 交流·研讨参阅66页 合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。 已知298 K时：△H==一92．2 kJ·mol-1△S=一198．2 J·K一1·mol一1 1．请你根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行。 2．请你利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。 [结论] 高温,低压有利于化学平衡正向移动,N2,H2浓度比为1:3有利于化学平衡正向移动. (二)合成氨反应的速率------阅读67页交流研讨 条件 Ea／kJ·mol一1k(催)/k(无) 无催化剂 335 3.4×1012(700 K) 使用铁催化剂 167 [交流·研讨] 1、结合影响反应速率的因素,思考什么条件能使氨生成的快 答：升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂 2、实验表明,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 答：ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3) 3、请你根据关系式分析:各物质的浓度对反应速率有哪些影响可以采取哪些措施来提高反
第4节化学反应条件的优化——工业合成氨 知识与技能： １.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件； ２.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异； ３通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。 过程与方法： 在化学反应的方向、限度、速率等理论为指导的基础上带领学生选择适宜的反应条件，引导学生考虑合成氨生产中动力、设备、材料生产效率等因素，寻找工业合成氨生产的最佳条件。情感态度与价值观： 认识化学反应原理在工业生产中的重要作用，提升学生对化学反应的价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。 教学重难点：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。 课型：新课 课时安排：１课时 教学过程： 【提问】影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些？ 【学生】回答 【注意】催化剂只能改变化学反应速率，不能改变化学平衡状态。 【教师】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。 【投影】展示弗里茨·哈伯的图像 【投影】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。
考点30合成氨条件的选择 1．复习重点 1．如何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。 2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。 2．难点聚焦 1．合成氨条件的选择 工业上用N 2和H 2合成氨： N 2+3H 2 2NH 3+Q 从反应速率和化学平衡两方面看，选择什么样的操作条件才有利于提高生产效率和降低成本呢？ 从速率看，温度高、压强大（即N 2、H 2浓度大）都会提高反应速率； 从化学平衡看，温度低、压强大都有利于提高N 2和H 2的转化率。 可见，压强增大，从反应速率和化学平衡看都是有利于合成氨的。但从生产实际考虑，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越高，将使成本增大。故一般合成氨厂采用的压强是20~50MPa 帕斯卡。 而温度升高，有利于反应速率但不利于N 2和H 2的转化率。 如何在较低的温度下保持较大转化率的情况下，尽可能加快反应速率呢？选用合适的催化剂能达到这个目的。那么，较低的温度是低到什么限度呢？不能低于所用催化剂的活性温度。目前使用的催化剂是以铁为主体的多成分催化剂——又称铁触媒。其活性温度为450℃~550℃，即温度应在450~550℃为宜。将来如制出活性温度更低、活性也很在的新型催化剂时，合成氨使用的温度当然比现在要低，转化率就能更高了。 选择适宜的条件：根据N 2+3H 2 2NH 3+Q 这一反应的特点，运用化学反应速 率和化学平衡的理论来选择适宜条件。该反应为可逆、体积减小、正反应为放热等特点。 （1）适宜的压强：为何强调适宜？压强越大、有利于NH 3的合成，但太大，所需动力大，材料强度高，设备制造要求高，成本提高，选择2×107~5×107Pa 压强。 思考：工业上生产H 2SO 4：2SO 2(g)+O 2(g) 2SO 3(g)为何不采用加压方法？（因为在常压下SO 2的转化率已达91%，不需要再加压） （2）适宜的温度：温度越低越有利于NH 3的合成，为何还要选择5000C 高温？因为温度越低，反应速率越小，达平衡时间长，单位时间产量低，另外5000C 时，催化剂活性最大。 （3）使用催化剂 （4）及时分离出NH 3，并不断补充N 2和H 2（N 2要过量，提高成本较高的H 2转化率） 小结：合成氨的适宜条件： 压强：20~50MPa 帕斯卡 温度：500℃左右 催化剂：铁触媒 2．合成氨工业简述 1．原料气的制备、净化 ① 制N 2： 物理方法： 空气 液态空气 N 2 化学方法： 空气 CO 2+N 2 N 2 ②制H 2： 水蒸气 CO+H 2 CO 2+H 2 H 2 反应方程式为： C+H 2O （g ）==== CO+H 2；CO+H 2O （g ）==== CO 2+H 2 压缩 蒸发 炭 赤热炭 H 2O 催化剂 （去CO 2） 燃烧 （去CO 2） 催化剂 △ △
氨是一种制造化肥和工业用途众多的基本化工原料。随着农业发展和军工生产的需要，20世纪初先后开发并实现了氨的工业生产。从氰化法演变到合成氨法以后，近30年来，原料不断改变，余热逐渐利用，单系列装置迅速扩大，推动了化学工业有关部门的发展以及化学工程进一步形成，也带动了燃料化工中新的能源和资源的开发。 早期氰化法1898年，德国 A.弗兰克等人发现空气中的氮能被碳化钙固定而生成氰氨化钙（又称石灰氮），进一步与过热水蒸气反应即可获得氨： Ca(CN)2＋3H2O─→2NH3＋CaCO3 1905年，德国氮肥公司建成世界上第一座生产氰氨化钙的工厂，这种制氨方法称为氰化法。 第一次世界大战期 间，德国、美国主要 采用该法生产氨，满 足了军工生产的需 要。氰化法固定每吨 氮的总能耗为153GJ， 由于成本过高，到30 年代被淘汰。 合成氨法利 用氮气与氢气直接合 成氨的工业生产曾是 一个较难的课题。合 成氨从实验室研究到实现工业生产，大约经历了150年。直至1909年，德国物理化学家F.哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5～20MPa和500～600℃下直接合成，反应器出口得到6％的氨，并于卡尔斯鲁厄大学建立一个每小时80g合成氨的试验装置。 但是，在高压、高温及催化剂存在的条件下，氮氢混合气每次通过反应器仅有一小部分转化为氨。为此，哈伯又提出将未参与反应的气体返回反应器的循环方法。这一工艺被德国巴登苯胺纯碱公司所接受和采用。由于金属锇稀少、价格昂贵，问题又转向寻找合适的催化剂。该公司在德国化学家A.米塔斯提议下，于1912年用2500种不同的催化剂进行了6500次试验，并终于研制成功含有钾、铝氧化物作助催化剂的价廉易得的铁催化剂。而在工业化过程中碰到的一些难题，如高温下氢气对钢材的腐蚀、碳钢制的氨合成反应器寿命仅有80h以及合成氨用氮氢混合气的制造方法，都被该公司的工程师 C.博施所解决。此时，德国国王威廉二世准备发动战争，急需大量炸药，而由氨制得的硝酸是生产炸药的理想原料，于是巴登苯胺纯碱公司于1912年在德国奥堡建成世界上第一座日产30t合成氨的装置，1913年9月9日开始运转，氨产量很快达到了设计能力。人们称这种合成氨法为哈伯－博施法，它标志着工业上实现高压催化反应的第一个里程碑。由于哈伯和博施的突出贡献，他们分别获得1918、1931年度诺贝尔化学奖。其他国家根据德国发表的论文也进行了研究，并在哈伯－博施法的基础上作了一些改进，先后开发了合成压力从低压到高压的很多其他方法。
化学·选修/化学反应原理(鲁科版) 第4节化学反应条件的优化—工业合成氨 1．有关合成氨工业的说法中，正确的是( ) A．从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低 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 ℃，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2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大 解析：合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使生产氨的产率都较高，故A项错误，B项正确；合成氨工业选择500 ℃左右的温度，是综合了多方面的因素确定的，因合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，故C项错误；无论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，基于此选择了2×107～5×107 Pa的高压，催化剂活性最大时的温度是500 ℃，故D项错误。 答案：B 2．工业合成氨的反应是在500 ℃左右进行的，这主要是因为( ) A．500 ℃时此反应速率最快 B．500 ℃时NH3的平衡浓度最大
C．500 ℃时N2的转化率最高 D．500 ℃时该反应的催化剂活性最大 解析：工业合成氨反应采用500 ℃的温度，有三个方面的原因：①有较高的反应速率；②反应物有较大的转化率； ③催化剂的活性最大。 答案：D 3．合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率增快，不可采取的方法是( ) A．补充N2B．升高温度 C．增大压强 D．分离出NH3 解析：补充N2、增大压强既能加快反应速率，又能促进平衡向生成氨的大向移动；分离出NH3，能使平衡向生成氨的方向移动，反应速率是提高的；升高温度能加快反应速率，但不利于氨的生成。 答案：B 4．(双选题)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应：N2(g)＋ ? 3H2(g)2NH3(g)，在673 K、30 MPa下n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是( )
2019-2020年高中化学《合成氨条件的选择》第一课时教案大纲人教版 从容说课 合成氨工业对化学工业和我国实现农业现代化具有重要意义。本节内容体现了化学反应速率和平衡移动原理等理论对工业生产实践的指导作用。能够培养学生理论联系实际的意识。通过本节课的学习，也可进一步加深学生对所学理论的理解。从内容上分，本节共介绍了两个知识点。其一主要是通过讨论引导学生运用化学反应速率和化学平衡原理等知识，综合考虑合成氨生产中动力、设备、材料等的实际情况，合理地选择合成氨的生产条件；其二是拓宽思路，探讨合成氨的发展前景。当然，前者是本节教学的重点和难点。 在教学中，针对合成氨反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应，首先要求学生运用已学过的知识，讨论增大合成氨的化学反应速率所应采取的措施。在此基础上，再要求学生根据提供的有关实验数据，讨论提高平衡混合物中NH3的含量所应采取的方法。然后，结合合成氨生产中动力、材料、设备、催化剂活性等实际情况，通过具体分析，得出合成氨时压强、温度、催化剂等的最佳条件。此外，应通过合成氦生产过程示意图、浓度等条件对合成氨的影响，原料的循环使用等问题，使学生理解合成氨条件的选择应以提高经济效益为目的。 本节第二部分内容的教学，其目的不在于知识本身，而是更多地侧重了培养学生的创新精神和科学方法的训练，教学过程中应适度把握。 ●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 ●课时安排 一课时 ●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？ ［生］浓度、温度、压强、催化剂等。
2019-2020年高中化学鲁科版选修4教学案：第2章-第4节-化学反应条件的优化——工业合成氨(含答案)
第4节化学反应条件的优化——工业合成氨 [课标要求] 1．了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。 2．了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异。 3．认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。, 1．N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2 kJ·mol－1。理论上增大 反应物浓度和增大压强及时分离出NH3及降低温度有利于氨气的合成。 2．升高温度，增大压强，加入合适催化剂能提高化学反应速率。
成氨的方向移动。 (2)在一定的温度和压强下，反应物中N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 1．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理解释的是() A．使用铁触媒，有利于N2和H2反应合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨反应C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨反应D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率 解析：选B催化剂不影响平衡移动；合成氨反应的正反应是气体分子数减小的反应，高压条件有利于平衡正向移动；工业合成氨采用500 ℃是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度后确定的；采用循环操作与平衡移动无关。2．利用原料气在合成塔中合成氨时，为提高
N2的转化率所采取的措施是() A．高温B．高压 C．使用催化剂D．增大N2的浓度 2019-2020年高中化学鲁科版选修4教学案：第 2章第4节化学反应条件的优化——工业合 成氨(含答案) 降低。 合成氨反应的速率及适宜条件的选择 1．外界条件对速率的影响 (1)浓度 在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应 的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－ 1(NH3)，由关系式可知，增大N2或H2的浓度， 减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。(2)催化剂
工业合成氨 ：昨天、今天和明天 ——以三次诺贝尔奖为主线的教学 一、德育内容维度 社会意识——社会责任感 心理健康——坚韧不拔的意志品质 心理健康——辩证思想 二、教材透析 （一）教材版本 鲁科版《化学反应原理》，第二章第四节《化学反应条件的优化——工业合成氨》。 （二）课标分析 《普通高中化学课程标准（实验）》在《化学反应原理》模块的教学中对学生的要求里有一点是这样的：“赞赏运用化学反应原理合成新物质对科学技术和人类社会文明发挥的强大作用”。为实现这一目标，必须首先让学生接触到对科学技术和人类社会文明发挥的强大作用的事件，体验合成新物质的过程。在《化学反应条件的优化——工业合成氨》中，利用化学反应速率——平均理论中的相关基础知识，通过对工业合成氨反应条件的合理方案的选择，使学生体会到合成氨对科学技术和人类社会文明发挥的强大作用。 （三）教材分析 《化学反应条件的优化——工业合成氨》是前三节“化学反应的方向”、“化学反应的限度”、“化学反应速率”的延续，是对化学反应方向、速率、限度知识的综合应用。 氨对化学、国防和农业具有非常高严重的意义；同时N
2、H 2反应生成氨的反应也是学生非常熟悉的平均体系。以氨的合成反应为研究对象，有利于学生从化学反应速率、平均理论两个方面尝试综合考虑、选择合成氨的合理条件，使学生体会到学习化学理论对实际生产有着非常严重的指导作用。 在德育方面，工业合成氨的发明过程，包含了化学家宏伟的创造性和光辉的科学思想，体现了当时科学家的远见与激情。哈勃、博施、埃特尔对氨合成的研究持续了将近100年，实现了氨的合成从实验室的理论研究到工厂的实际生产，是三位科学家不畏艰辛的意志品质和创新思想的最佳体现，对学生有很好的引领示范作用。 三、学情分析 学生在前三节化学反应方向、速率、平均理论的学习中，对这些知识有了一定程度的认识。学生已经初步形成积极思考、敢于探究、主动获取知识的学习习惯，并能够积极参与到课堂活动中，能够与同学在课堂的学习中进行合作，具有了一定的理性思维和抽象思维，基于此我们在实际教学中要主要以提出问题、分析问题、合作探究的学习模式为主，这样有利于学生理性思维和抽象思维的进一步提升。 四、目标确立 作为一名一直工作在一线的化学教师，我感到学生的学习兴趣是很严重的。当充分激发出学生学习的主动性，才是有用的课堂，学生才爱学。所以在教学中创设适合学生实际情况的学习情境是很严重的，基于上述分析，确定如下课时教学目标： 1.知识技能目标： （1）了解如何应用化学反应速率、平均原理来选择合成氨的最佳条件；（2）了解如何应用化学反应原理对工业生产条件进行分析，体验实际生产与理论的差异；
高二化学合成氨条件选择教案 Teaching plan of condition selection for chemical ammonia syn thesis in Senior 2
高二化学合成氨条件选择教案 前言：本文档根据题材书写内容要求展开，具有实践指导意义，适用于组织或个人。便于学习和使用，本文档下载后内容可按需编辑修改及打印。 教学目标 知识目标 使学生理解如何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;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。 能力目标 培养学生对知识的理解能力，及理论联系实际的应用能 力和分析问题、解决问题的能力。 情感目标 通过学生领悟理论知识对生产实践的指导作用，使学生 树立理论和实践相结合的思想认识;并通过知识的运用培养学 生的创新精神和科学方法。 教学建议 教材分析
本节教材体现了化学反应速率和平衡移动原理等理论对工业生产实践的指导作用，同时在运用理论的过程中，也可进一步加深学生对所学理论的理解。 教材分为两部分：第一部分主要是通过讨论引导学生运用化学反应速率和化学平衡原理等知识，并考虑合成氨生产中动力、设备、材料等的实际情况，合理地选择合成氨的生产条件。第二部分是拓宽思路方面的内容，主要是探讨合成氨的发展前景。 在第一部分内容中，教材针对合成氨的反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应，首先要求学生利用已学过的知识，讨论为使合成氨的化学反应速率增大所应采取的方法。在此基础上，又据实验数据讨论为提高平衡混合物中的含量所应采取的方法。在两个讨论的基础上，教材又结合合成氨生产中动力、材料、设备、催化剂的活性等实际情况，较具体地分析了合成氨时压强、温度、催化剂等的选择情况。此外，还结合合成氨生产过程示意图，简单提及浓度等条件对合成氨生产的影响，以及原料的循环使用等问题，以使学生理解合成氨条件的选择应以提高综合经济效益为目的。