合成氨教学设计

《第4节化学反应条件的优化——工业合成氨》教学设计一、教材分析和教学设想本章教材包括化学反应的方向、限度、速率和化学反应条件的优化四部分内容。前三节教材内容安排的是化学反应的方向和限度，化学反应速率的知识，分别从化学热力学角度介绍化学反应方向的判据以及浓度、温度等外界条件对化学平衡的影响，从化学动力学角度介绍影响化学反应速率的因素并进行定量研究和理性分析。而在实际生产中，从化学热力学角度实现高转达化率所需的条件往往与从化学动力学角度实现高速率所需的条件相互矛盾。为了以较高速率获得较好的转化率，人们通常对这两方面的研究结果进行综合分析，即进行反应条件的优化。本节内容就是对前两部分知识的综合应用，以工业合成氨为例探究化学反应条件优化的选择方法，体现化学反应的方向、限度、速率等理论在优化选择化学反应条件方面的作用，使学生了解化学理论的学习对生产实际的指导作用。本节课的教学设想为：在教学过程中，为学生提供关于合成氨反应的热力学、动力学实验数据，使他们能够利用这些资料就合成氨反应的热力学、动力学问题分别展开讨论，初步尝试利用理论分析化工生产中的实际问题，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；再结合生产中的数据向学生介绍合成氨的实际生产条件，对合成氨的适宜条件进行选择，使他们在解决实际问题的过程中提升对化学反应的价值的认识；课堂中通过“动手”“动脑”“动口”等师生互动的方法来完成教与学的任务，达成教与学的目标。二、教学设计思路三、教案课题化学反应条件的优化——工业合成氨授课人倪霞教学目标知识与技能1.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。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。过程与方法1.教学时应以化学反应速率和化学平衡原理为主线，以合成氨知识为中心，结合工业生产的实际情况，将知识串联、拓展、延伸，培养学生的归纳思维能力。2.在运用理论的过程中，可以进一步加深学生对所学理论的理解和提高知识的实际应用能力。情感态度与价值观1.通过了解合成氨的全过程，可以激发学生爱科学、探索科学的热情。2.通过合成氨前景的展望，激发学生学习兴趣，使学生体会化学学科中逻辑结构严谨深刻的科学美。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教学方法讲授法、小组讨论法、自学法教学用具投影仪、电脑、大屏幕教学过程教师活动预设学生活动预期设计意图新课引入【引入】自1784年发现氨气以后，人们一直在研究如何利用化学方法由N2和H2合成NH3，但直到1913年才建成了大型合成氨厂。合成氨的工业化生产经历了如此漫长的发展过程。今天我们来学习工业合成氨生产条件的选择。【板书】化学反应条件的优化——工业合成氨【设问引入】假如某位同学是一个工厂的厂长，对畅销产品的生产效率、成本有何要求？【过渡】现在工厂合成氨气，应怎样选择生产条件呢？【设问】利用化学反应速率和化学平衡移动知识，从生产目的、选择的依据和原则角度考虑这个问题，选择生产条件的目的是什么？选择生产条件的依据是什么？回答：降低成本，提高产品产量和质量讨论后回答：选择生产条件的目的是加快速率，提高产率。选择生产条件的依据为外界条件对化学反应速率和化学平衡影响引入新课，激发兴趣。通过事例分析指出本节重点及学习方法，明确学生的学习方向判断合成氨反应能否自发进行【交流·研讨】合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时，△H=-92.2kJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行。学生讨论分析反应特点：合成氨反应为放热、气态物质系数减少的可逆反应。△H-T△S=-92.2kJ·mol-1-298K×（-198.2J·K-1·mol-1）＜0298K时，合成氨反应是可以自发进行的。为讨论合成氨适宜生产条件做准备。使学生体会一般的研究思路：第一步是进行化学热力学分析。先判断反应的方向，再利用平衡移动合成氨反应的限度【活动探究】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的合成？【板书】一、合成氨反应的限度【讲述】如图2-4-3所示，在不同反应温度、压强下反应达平衡时，平衡混合物中氨含量的测定结果与上述理论分析结果一致。进一步研究发现，在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为学生讨论回答：降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动；N2、H2的体积比为1：3时平衡混合物中氨的含量最高。学生观看图2-4-3进行分析。原理分析如何提高氨的产量。1：3时平衡混合物中氨的含量最高。合成氨反应的速率【过渡】在寻找最佳的生产条件时，除了考虑反应的限度时，还需要研究采取哪些措施来提高化学反应速率。【板书】二、合成氨反应的速率【交流·研讨】1、结合影响反应速率的因素，思考什么条件能提高合成氨反应的速率？2、实验表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系为v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)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？3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：【补充】除此之外，温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。学生分析回答：1、升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂2、增大N2、H2浓度，将氨及时从混合气中分离出去3、分析下表所给的数据使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。表2-4-1让学生从整体上对影响化学反应速率的各种影响进行定性分析。结合生产实际选择合成氨的适宜条件【板书】三、合成氨的适宜条件【交流·研讨】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。在合成氨生产中，达到高转化率与高反应速率所需要的条件有时是相互矛盾的。由理论分析再结合生产实际（高压对设备材质、加工制造的要求和所需能耗多少、温度对催化剂活性的影响等）讨论：⑴既然降低温度有利于学生讨论后完成下表外界条件使NH3生产的多使NH3生产的快平衡分析速率分析压强高压高压温度低温高温催化剂无影响使用反应物浓度增大增大生成物浓度减小减小平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？⑵既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？【讲述】因此，选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。【总结】合成氨的适宜条件：选择铁做催化剂；反应温度在700K左右；根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压（1×107Pa）、中压（2×107～３×107Pa）和高压（8.5×107～1×108Pa）三种类型；n(N2)：n(H2)=1：2.8。复习、整理关于化学反应的方向、限度和速率的理论知识并查阅资料回答：⑴低温虽然有利于平衡向生成氨的方向移动，但低温时反应速率低，所以生产中温度不是越低越好。考虑到催化剂活性，应选择适宜的温度。⑵虽然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，但是我们应该考虑到反应器材质及综合指标来选择压强，并非是越大越好。通过交流研讨使学生体会这是用理论解决实际总是的一个重要步骤，需要综合评价热力学与动力学的研究结果，还必须考虑实际工艺技术等各方面因素。归纳出合成氨生产的适宜条件，引导思考的方向，结合生产数据介绍合成氨实际生产条件，使学生在解决实际总是的过程中进一步加深对所学理论的理解。合成氨的生产流程【板书】合成氨的生产流程11（1）原料气的制备N2来自空气，H2来自水中CH4+H2O=CO+3H2CO+H2O=CO2+H2(2)净化消除造气过程中夹带着的杂质，防止催化剂中毒。（3）合成氨【知识拓展】简单介绍我国合成氨工业的发展情况。学生认真听讲，观看课本合成氨工艺生产流程图。加深学生对化工生产的了解。让学生了解我国合成氨工业发展历程，目前我国合成氨工业从生产能力和产量上都位居世界前列，对他们进行情感态度与价值观教育。【知识前沿】化学模拟生物固氮根瘤菌，生物固氨。常温常压下进行。成本低、转化率高、效率高。模拟生物的功能，把生物的功能原理学生听讲，思考。让学生了解科学前沿和科技发展动态。用于化学工业生产，借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。课堂小结结合理论依据和生产实际，适宜的合成氨条件为：铁催化剂，700K，根据反应器选择压强，n(N2)：n(H2)=1：2.8课堂练习【大屏幕】1、氨的合成反应，生产中采用的适宜条件是（）。A、低温、高压、适当的催化剂B、高温、常压C、尽可能高温、高压D、适当的温度、适当的高压、适宜催化剂2、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的压强学生思考、回答1、选D2、选B学生分析解答，进一步加深了本节课的理论和认识。板书设计：第4节化学反应条件的优化——工业合成氨一、合成氨反应的限度有利于化学平衡向生成氨的方向移动的影响因素：降低温度、增大压强、n(N2)：n(H2)=1：3二、合成氨反应的速率有利于加快生成氨速率的影响因素：升高温度、增大压强、使用催化剂、增大反应物浓度、减小生成物浓度。三、合成氨的适宜条件结合生产实际，适宜的合成氨条件为：铁催化剂，700K，根据反应器选择压强，n(N2)：n(H2)=1：2.8课后反思：本节课的教学环节的设计较为合理，教学方法较为得当，课堂互动效果较好，三维目标基本落实，但也有所失。本节课为学生提供了关于合成氨反应的热力学、动力学实验数据，学生就合成氨反应的热力学、动力学问题分别进行讨论得出相应结论。“交流研讨”的环节学生进行得较为充分，不仅使学生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，也使学生了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法。在理论分析基础上，结合生产实际选择合成氨的适宜条件，引导学生综合考虑合成氨生产中动力、设备、材料生产效率等因素，使学生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认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。此环节中也有没有处理好的地方。合成氨适宜条件的选择是一个综合性很强的问题，应引导和指导学生在课堂上进行充分、有效的讨论。但可能学生在课前没进行充分的预习和准备工作，课堂上，学生没有足够的知识铺垫来进行讨论。通过对《化学反应条件的优化——工业合成氨》一课的全面反思，我认识到要善于处理好教学中知识传授与能力培养的关系，巧妙地创设能引导学生主动参与的活动及情境，让学生在实践中学习，才能不断地激发学生的学习积极性与主动性，既培养学生的学习兴趣，又培养学生思维能力、想象力和创新精神，使每个学生的身心都能得到充分的发展。在今后的教学中，我会通过不断地反思来提高自己的教学水平和创新能力。