2019-2020年人教版高中化學(xué)選修2第一單元課題2《人工固氮技術(shù)——合成氨》 教案.doc

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2019-2020年人教版高中化學(xué)選修2第一單元課題2《人工固氮技術(shù)——合成氨》 教案 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)平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。 2.了解合成氨生產(chǎn)的一般流程和反應(yīng)原理、反應(yīng)條件等。 3.介紹合成氨，體現(xiàn)化工生產(chǎn)的過程，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)際生產(chǎn)之間轉(zhuǎn)化過程。 教學(xué)過程： 一、氮的固定 1、定義：氮的固定是指將游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)氮的方法。 2、方法：氨的固定主要方法有： （1）人工合成氨：化學(xué)固氨法。其條件要求高、成本高、轉(zhuǎn)化率低、效率低。 （2）根瘤菌，生物固氨。常溫常壓下進(jìn)行。成本低、轉(zhuǎn)化率高、效率高。 3、工業(yè)應(yīng)用： 模擬生物的功能，把生物的功能原理用于化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)，借以改善現(xiàn)有的并創(chuàng)造嶄新的化學(xué)工藝過程。 二、合成氨的反應(yīng)原理 【實(shí)驗(yàn)】分析P11的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合有關(guān)物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)總結(jié)試管口處濕潤(rùn)的PH試紙的變化，推測(cè)有關(guān)反應(yīng)。 【師生】1、加熱試管中的鐵絲絨至紅熱后注入氫氣和氨氣的混合氣體，可以看到濕潤(rùn)的PH試紙變藍(lán)色 2.用氫氣和氨氣合成氨的反應(yīng)式是 N2+3H22NH3 ，屬放熱反應(yīng)。 3、工業(yè)上，采用以鐵為主的催化劑，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的條件下合成氨。 【閱讀】P12科學(xué)史話，結(jié)合已學(xué)化學(xué)平衡知識(shí)分析下面的問題 （1）合成氨中，催化劑的主要作用是什么？ 答案：成千上萬倍地加快化學(xué)反應(yīng)速率，縮短達(dá)平衡的時(shí)間，提高日產(chǎn)量。 （2）合成氨的適宜條件是什么？ 答案：以鐵為主的催化劑，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的條件 （3）選擇適宜生產(chǎn)條件的原則是什么？ 提示：有較高的反應(yīng)速率和平衡轉(zhuǎn)化率，能最大限度地提高利潤(rùn)。 （4）合成氨生產(chǎn)時(shí)，為什么不采用盡可能高的壓強(qiáng)？通常采用10MPa~300MPa 的壓強(qiáng)？ 提示：會(huì)增大設(shè)備的動(dòng)力要求，增大成本。 （5）合成氨的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度會(huì)使平衡向右移動(dòng)，但為什么溫度要保持在400～500℃左右？ 答案：合成氨的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度促使平衡向有移動(dòng)，有利于、轉(zhuǎn)化為；但降溫必然減緩了反應(yīng)速率，影響單位時(shí)間產(chǎn)率。生產(chǎn)中將二者綜合考慮，既要保證、的轉(zhuǎn)化率，又要保證較快的反應(yīng)速率，只能選擇適中的溫度400～500℃左右。應(yīng)注意該溫度為催化劑活化溫度，低于此溫度，催化劑不起作用。 （6）在高溫高壓下，為什么還要使用催化劑？ 提示：催化劑是影響反應(yīng)速率的幾個(gè)因素中，對(duì)反應(yīng)速率影響程度最大的。 【師】應(yīng)注意催化劑的如下特點(diǎn)： ①選擇性：不同的反應(yīng)選擇不同的催化劑，如合成氨選擇了鐵觸媒。每種催化劑都是對(duì)特定的反應(yīng)有催化作用，并非能改變?nèi)魏位瘜W(xué)反應(yīng)的速率。 ②靈敏性：催化劑中混入雜質(zhì)，常常會(huì)失去催化作用，稱催化劑“中毒”，因此反應(yīng)氣體進(jìn)入反應(yīng)器前必須凈化。 ③催化劑只有在活化溫度以上才能起催化作用，如鐵觸媒活化溫度為400～500℃，因此該溫度為合成氨的適宜溫度。 三、合成氨的基本生產(chǎn)過程 1、合成氨三個(gè)主要步驟是 （1）造氣 制備合成氨的原料氣 ； （2）凈化 原料氣的凈化處理； （3）合成 將原料氣進(jìn)行化學(xué)合成為氨。 2. 制備合成氨的原料氣 （1）制取N2：物理方法為將空氣液化，蒸發(fā)分離出氧氣?；瘜W(xué)方法為碳在空氣中燃燒，O2充分反應(yīng)后除去CO2制取氮?dú)狻? （2）制取H2： ①用水蒸氣和焦碳高溫反應(yīng)制得，主要反應(yīng) ， 。 ②也可用石油、天然氣、焦?fàn)t氣、煉廠氣等所含有的大量的碳?xì)浠衔锱c水蒸汽在催化劑作用下制備。 以甲烷為例寫出其主要反應(yīng) ： ， 。 3. 原料氣凈化處理 （1）原料氣凈化的原因：除去某些雜質(zhì)，防止使合成氨所用的催化劑中毒。 （2）用稀氨水吸收H2S雜質(zhì) ： （3）使CO變成CO2 ： （4）用K2CO3吸收CO2 ： （5）最后，原料氣還需進(jìn)行精制處理，如用醋酸、銅和氨配制成的溶液來吸收CO、CO2 、 O2、H2S等少量有害氣體。 4. 氨的合成與分離 （1）氨的合成：將凈化的原料氣加壓送進(jìn)合成塔，在適宜條件下充分反應(yīng)制取氨。 （2）從合成塔出來的混合氣體，其中氨氣占總體積的15%，要把混合氣體通過冷凝器使氨液化，再導(dǎo)入液氨貯罐。 【思考】合成氨是一個(gè)可逆反應(yīng)，所以在生產(chǎn)中要把生成的氨及時(shí)從混合氣體中分離出來，并且不斷地向循環(huán)氣中補(bǔ)充氮、氫氣，這是為什么？ 答案：這樣能減小平衡狀態(tài)下混合物中生成物的濃度，又能增大反應(yīng)物的濃度，有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，以提高氨的產(chǎn)量． 四、合成氨工業(yè)的發(fā)展 1.原料及原料氣的凈化 原料氣之一的氮?dú)鈦碜钥諝猓壳皻錃庵饕ㄟ^不同的固態(tài)（煤和焦炭）、液態(tài)（石油提煉后的石腦油、重油）、氣態(tài)（天然氣、焦?fàn)t氣）可燃物為原料。 2.催化劑的改進(jìn) 多年來一直用磁鐵礦催化劑，目前有采用釕為基礎(chǔ)活性物質(zhì)的新型催化劑。 3.環(huán)境保護(hù) （1）廢渣：可用作建材和肥料的原料。 （2）廢氣：主要是H2S和CO2 等有害氣體，對(duì)H2S的處理，可用直接氧化法（選擇性催化氧化）、 循環(huán)法（用溶劑吸收濃縮），CO2也可用來生產(chǎn)尿素和碳銨等。 （3）廢液：主要是含氰化物和含氨的污水，處理含氰化物主要用有生化、加壓水解、氧化分解、 化學(xué)沉淀、反吹回爐等方法。處理氨廢水可用蒸餾的方法回收，也可用離子交換法治理。