鲁科版选修4《化学反应原理》教案：2.4《化学反应条件的优化——工业合成氨》(第1课时)

第4节化学反应条件的优化－－工业合成氨【学习目标】1.应用化学反应速率和化学平衡原理来选择适宜的化工生产条件的一般原则。

2.了解合成氨生产的主要流程。

3.通过对资料和事实的处理，培养学生的科学抽象思维能力，自学能力。

4.渗透辩证唯物主义观点；关心环境、能源。

【教学策略】授课时数：1课时教学重点：结合反应速率和平衡转化率进行合成氨工业条件的选择。

教学难点：如何根据反应的限度和反应速率综合分析合成氨的条件。

【知识梳理】工业生产中要使经济效益最大化，既要考虑平衡转化率，使原料利用率较高，又要考虑反应速率，使反应进行的较快，合成氨工业是充分利用上述原理进行的工业化生产。

一、合成氨反应的限度【分析·研讨】合成NH3反应的热化学方程式为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH(298K)＝－92.2kJ·mol－1ΔS＝－198.2J·K－1·mol－1试分析，该反应在298K下能否自发进行，利用化学平衡移动的知识，分析有利于NH3合成的条件。

1、反应的方向根根合成NH3反应的焓变和熵变可进行计算：ΔH－TΔS＝kJ·mol－1 0可知，反应能自发进行。

2、反应的限度（1）合成氨反应中ΔH＝－92.2kJ·mol－1＜0。

为反应，则温度有利于化学平衡向生成NH3的方向移动。

（2）该反应为气体物质的量减小的反应，压强有利于化学平衡向生成NH3的方向移动。

（3）由方程式中N2、H2反应的物质的量之比为1∶3时能恰好完全反应。

故所配原料气中N2、H2的浓度之比为1∶3时，平衡混合物中NH3的合量较高。

工业合成NH3除需考虑反应的限度，还要考虑反应的速率。

二、合成氨反应的速率1、浓度对合成NH3反应速率的影响合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为：v＝K c(N2)c(H2)1.5c(NH3)－1由该关系式知，合成氨反应的速率与N2浓度的1次方成正比，与H2浓度的1.5次方成正比，与NH3浓度的1次方成反比。

2.4《化学反应条件的优化---工业合成氨》【教材分析】普通高中课程标准实验教科书化学反应原理（鲁科版）第2章第4节“化学反应条件的优化——工业合成氨”的内容是前三节“化学反应的方向”、“化学反应的限度”、“化学反应的速率”的延续，是对前三节知识的综合应用。

合成氨工业对化学工业、国防工业和我国实现农业现代化具有重要意义，是重要的化学工业之一；同时氮气、氢气合成氨反应也是一个学生熟悉的、典型的平衡体系。

本节以合成氨反应为研究对象，有利于学生应用化学平衡理论和化学反应速率理论尝试综合选择化工生产的适宜条件，从而体会化学理论的学习对生产实践的指导作用。

【学情分析】学生在前面的学习中，对化学平衡理论和化学反应速率理论有了一定程度的认识。

经过高中一年的训练，学生善于质疑、主动思考、积极获取知识的学习习惯已基本养成，参与意识、合作意识已有较明显提高。

他们正处于生理的高速发展期，认识能力和知识水平都达到了较高的层次，他们正经历着从习惯于感性思维、形象思维向更加关注理性思维、抽象思维的转轨期，所以在教学中注意引导学生分析、讨论，使他们的认识过程从直观的体验和想象上升到理性的思维阶段。

【设计思想】根据本节内容，先让学生就合成氨反应的热力学、动力学问题分别进行讨论，再综合考虑工业生产中的各种因素，对合成氨反应的适宜条件进行选择。

将本节的教学过程分为三个环节：①分别利用学过的化学平衡和化学反应速率理论讨论合成氨的适宜条件；②综合考虑合成氨生产中动力、设备、材料、生产效率等因素，寻找工业合成氨的优化生产条件；③展望合成氨的发展前景，拓宽学生的视野。

在讨论时注意问题设置的难度，利用平衡移动原理对反应转化率的探讨只局限在定性分析的水平上，而对于化学反应速率的研究则从半定量的角度进行。

【教学目标】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调控在工业生产中的重要作用。

第四节化学反响条件的优化 -----工业合成氨[ 教学设计目标 ]1、研究如何应用化学反响速率和化学均衡原理, 选择合成氨的适合条件.2、研究应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法.[ 教学设计过程 ]剖析 : 合成氨的反响特色N2+3H22NH3正反响为放热反响正反响为气体体积减小的反响请依据正反响的焓变和熵变剖析在298K 下合成氨反响可否自觉进行能自觉进行一、自主获守信息( 一 >合成氨的反响限度请同学们依据合成氨反响的特色, 利用影响化学均衡挪动的要素, 剖析什么条件有益于氨生成。

沟通·商讨参阅 66 页合成氨反响是一个可逆反响： N(g>+3H (g>2NH(g> 。

223已知 298 K 时：△H==一 92．2 kJ ·mol -1△S=一 198．2 J ·K一1·mol 一1 1．请你依据正反响的焓变和熵变剖析298 K 下合成氨反响可否自觉进行。

2．请你利用化学均衡挪动的知识剖析什么条件有益于氨的合成。

[结论]高温 , 低压有益于化学均衡正向挪动,N 2,H 2浓度比为 1:3 有益于化学均衡正向挪动 . ( 二 >合成氨反响的速率------阅读 67页沟通商讨条件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[沟通· 商讨]1、联合影响反响速率的要素, 思虑什么条件能使氨生成的快答：高升温度增大压强增大反响物浓度使用催化剂2、实验表明, 在特定条件下, 合成氨反响的速率与反响的物质的浓度的关系为答：ν = κC(N2>C (H2>C-1(NH3>3、请你依据关系式剖析: 各物质的浓度对反响速率有哪些影响能够采纳哪些举措来提升反应速率答：增大N2、H2浓度、将氨实时从混淆气中分别出去二、合成氨的适合条件[ 沟通·商讨]1 ．依据合成氨反响的特色，应分别采纳什么举措提升反响的均衡转变率和反响速率?请将你的建议填入下表。

〔第四课时〕[题1]在体积可变的密闭容器中，反应mA(g)＋nB(s)pC(g)达到平衡后，压缩容器的体积，发现A的转化率随之降低。

以下说法中，正确的选项是〔C〕A.(m＋n)必定小于pB.(m＋n)必定大于pC.m必定小于pD.m必定大于p[解析]压缩容器的体积，A的转化率降低，说明压强增大时平衡向逆反应方向移动，逆反应是气体体积〔气体系数〕缩小的反应，即m<p。

[题２]有效碰撞是指〔CD〕A.反应物分子间的碰撞B.反应物活化分子间的碰撞C.能发生化学反应的碰撞D.反应物活化分子间有合适取向的碰撞[解析]反应物分子间的碰撞是随时可以发生的，但是只有反应物活化分子之间的碰撞才可能发生化学反应，而能发生化学反应的碰撞就是有效碰撞，这也正是活化分子中有合适取向的碰撞。

[题３]可逆反应2NO22NO＋O2在密闭容器中进行，达到平衡状态的标志是〔B〕①单位时间内生成n mol O2，同时生成2n mol NO②单位时间内生成n mol O2，同时生成2n mol NO2③用NO2、NO、O2的物质的量浓度变化表示的反应速率的比为２：２：１的状态④混合气体的颜色不再改变的状态⑤混合气体的密度不再改变的状态⑥混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态A.①③⑤B.②④⑥C.②③④D.③④⑤[解析]化学平衡状态的本质特征是正、逆反应速率相等。

①中当生成n mol O2时，必然同时生成2n mol NO。

在任何时刻均是这样。

因为两者生成物，且物质的量之比为n(O2)：n(NO)＝１：２，所以不是平衡状态的标志；②中单位时间内生成n mol O2时，由方程式可知必然消耗2n mol NO2，这样单位时间内NO2的消耗量和生成量相等，达到平衡状态；③中主要是针对正反应或逆反应，在任何时刻都有这个比值关系；④中，混合气中只有NO2有颜色，呈红棕色，当混合气体的颜色不再改变时，表示NO2的浓度不再改变，说明达到平衡状态；⑤混合气体的密度等于混合气体的质量除以混合气体的体积。

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________反应正反应为气体体积________的反应并且气体体积减少的量__________生成氨的体积。

一、自主学习（1）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。

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.（2）合成氨反应的速率------阅读66页交流研讨条件 Ea／kJ·mol一1 k(催)/k(无)无催化剂 335 3.4×1012(700K)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应速率二、合成氨的适宜条件【交流·研讨】1．根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率?请将你的建议填入下表。

提高反应的平衡转化率提高化学反应速率性质措施性质措施放热活化能高分子数减小低温时反应速率低平衡常数不大原料气浓度增加能提高反应速率氨气浓度增加能降低反应速率2．请你尝试为合成氨选择适宜条件。

（第二课时）【题１】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）①高温②低温③低压④高压⑤催化剂⑥加氨⑦除氨A.②④⑤B.②④⑦C. ①④⑤D.②③⑥【解析】合成氨工业利用N 2＋3H22NH3ΔH< 0，因而可知升高温度有利于反应向氨气生成的方向进行；从气体的系数来看，加压有利于反应向氨气生成的方向进行；加催化剂只会改变速率却无法改变转化率；减少生成物的浓度也有利于反应向氨气生成的方向进行。

故综上所述有②④⑦。

【题２】在一定条件下，可逆反应N 2＋3H22NH3ΔH< 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【解析】催化剂只是增大或减小反应速率，即有V正、V逆都发生变化，但不会改变平衡的移动，即有V正、V逆变化的倍数相等。

加压，体系中各反应物浓度增大，V正、V逆都增大，但更有利于向气体系数减少的方向移动，故V正增大的倍数大于V逆增大的倍数。

降温，反应速率全部下降，但有利于平衡向放热的方向移动，而本反应ΔH< 0，所以V正减少的倍数小于V逆减少的倍数。

加入稀有气体，各组分的浓度都不会变化或者减小，所以V正、V逆不变或减小。

故C、D均不正确。

【题３】合成氨所需的H 2由炭和水蒸气反应制得，其中一步反应为CO＋H2O(g)CO2＋H2ΔH< 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【解析】欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，必然要求改变条件使平衡向正反应方向移动。

CO＋H 2O(g)CO2＋H2ΔH< 0从中可知本反应为气体系数不变且正反应放热的反应，所以可以提高反应物水蒸气的浓度。

（第三课时）【题1】在一定条件下将含1 mol NH 3的体积不变的密闭容器加热，发生反应2NH 33H 2＋N 2，一段时间后达到平衡，此时NH 3的体积分数为 x %，若在容器中再加入1 mol NH 3后密封，加热到相同温度，使反应达到平衡，设此时NH 3的体积分数为 y %，则x 和 y 的关系正确的是（A ）A.x <yB. x > yC. x ＝yD. x ≥y【解析】体积不变的密闭容器，多加NH 3后相当于加压，使平衡向气体体积系数缩小的方向移动，所以NH 3的体积分数会大一点，即有.x <y 。

【题２】将V 1 L 的H 2和V 2 L 的N 2在一定条件下发生反应，达到平衡后，混合气体总体积为V 3 L （气体体积均在相同条件下测定），则生成NH 3的体积是（A ）A.（V 1＋V 2－V 3）LB.（V 1＋V 2＋V 3）LC.（V 1＋V 2－2V 3）LD.[V 3－（V 1＋V 2）] L【解析】 N 2 ＋ 3H 2 2NH 3 ΔV1 32 2（V 1＋V 2－V 3）L根据比例即可得到答案。

【题3】根据下列叙述，完成（１）～（３）题。

工业上合成氨的原料之一——氢气，有一种来源是取自石油气，例如丙烷。

（１）有人设计了以下反应途径，假设反应都能进行，你认为最合理的是（C ）A.C 3H 8 C ＋H 2B. C 3H 8 C 3H 6＋H 2C. C 3H 8＋H 2O CO ＋H 2，CO ＋H 2O ===CO 2＋H 2D. C 3H 8＋O 2===CO 2 ＋ H 2O ,，H 2O H 2↑＋O 2↑ （２）按以上最合理的反应途径，理论上用1 mol 丙烷最多可制得氨气（B ）A.4 molB.6.7 molC.10 molD.2.7 mol（３）该合理反应途径最显著的优点是（C ）A.简单易行B.制得的H 2纯度高C.制得的H 2产量高D.可同时获得大量热能【解析】(1)从产量、能源等角度进行考虑。