6.3 化工生产能否做到又快又多（共一课时）

6.3 化工生产能否做到又快又多（共一课时） 6.3 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 (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 学生活动2 学生活动1 师生互动1 引入课题 归纳小结1 寻找规律 阅读思考 分析数据 学生活动3 学生活动4 学生活动5 师生互动2 分析反应特点 汇报结果 思考问题 分析数据 介绍哈伯 小结 归纳小结2 的故事 2、流程 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。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1。 表1 转化率 压强(×101kpa) (,) 1 5 10 25 50 100 温度 99.2 99.6 99.7 99.9 99.9 99.9 400? 97.5 98.9 99.2 99.5 99.6 99.7 450? 93.5 96.9 97.8 98.6 99.0 99.3 500? 85.6 92.9 94.9 96.7 97.7 98.3 550? 学生活动4:学生汇报(表2)。 表2 使氨生产得快 使氨生成得多 (从化学反应速率分析) (从化学平衡分析) 、H的浓度， 增大N22浓 度 增大N、H的浓度 22减小NH的浓度 3 压 强 高压 高压 温 度 高温 低温 催化剂 使用 不影响 师生互动2:共同分析教材64页“资料库”，通过数据分析理解合成氨中温度选择的因素。 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 浓 度 压 强 温 度 催化剂 理 为增大 论 合成氨增加N、H的浓度 增大 升高 加入 22生 的反应 产 速率 为提高 平衡混减小平衡混合物中合物中增大 降低 的浓度 NH3NH的3 含量 实 使气态NH变为液态铁触媒 3 际 NH，从平衡混合物中500? (500? 20 MPa,50 MPa 3 生 分离出去，并及时补充 左右 左右时活 产 N、H。 性最大) 22 六、教学案例 1、教学过程 教学内容 教师活动 学生活动 设计意图 [问题情景]我们已学习了有关化学反应速直接切入主题， 率和化学平衡等知识，那它们在化工激发学习兴趣。 生产实践中又有怎样的应用呢, [思考]展现标题“化工生产能否做到又快又 多”，其中“快”和“多”分别体现的让学生明确化工 是工业生产哪两方面的要求, 学生回答:速率和产量。 生产所要关注的 [引入课题]这就是化工生产中所需要兼顾问题，为下面学习 的两方面问题。那具体又是如何实现做好铺垫。 这两者对立统一的,下面我们选择两 种常见的化工生产来加以讨论。 [阅读]指导学生阅读课本62页相关内容。 [思考讨论] ? 哪些物质可作为制取二氧化硫的 原料,哪种原料最好,并简述理由。 培养学生阅读能 学生阅读、讨论。 力 工业制硫酸 培养学生分析、评 ? 为什么我国目前仍然采用硫铁矿学生归纳出:制取二氧化价问题的能力。 作为制取二氧化硫的原料, 硫可选用硫磺、硫铁矿等 为原料。用硫磺更好，工 艺要求较简单。 学生回答:这是因为我国 硫磺资源不如硫铁矿充 足，而且在可作为制取二通过师生互动、讨 ? 若用硫铁矿为原料制取硫酸，写出氧化硫的其他原料中硫铁论，逐步引出工业 每一步的化学方程式，并标出化学方矿的含硫量较高。 制硫酸的原理。 程式中电子转移的方向和数目。 [教师归纳]从上述问题中我们得出硫酸工学生书写、练习。 业制法的主要流程。由于二氧化硫的 转化是在催化剂表面接触反应，故名 “接触法”。 [思考讨论] ? 为什么要将矿石粉碎成很细的粉 末, ? 仔细分析沸腾炉的结构，说明它是 怎样使反应物充分接触的, 学生回答:增大反应面积，培养学生综合分 ? 在二氧化硫的转化反应中，应用所加快化学反应速率。 析问题能力。 学知识分析提高二氧化硫转化率的可 能途径。 学生回答:高压、低温。 [师生互动]教师展示表1，然后师生共同分 析数据，明确实际化工生产条件选择 的依据。 分析数据，寻找规律。 [师生小结]由此可见，化学反应速率和化学激发认知冲突，树 平衡移动原理，是化工生产中选择适立全盘考虑问题 宜反应条件的重要依据。 的意识。 再次明确化工生 产所要关注的问 题。 [思考]工业上通过什么途径获取氨气, 学生阅读并写出合成氨的 [教师介绍]合成氨的重要意义。 化学方程式。 [思考]如何选择合成氨的适宜条件, 明确合成氨工业 ? 合成氨的反应有什么特点, 的重要性。 (教师指导学生分析、总结。) 学生思考并尝试回答，合 成氨反应的特点:可逆反在讨论中进一步 应;正反应为气体体积缩巩固知识。 小;正反应为放热反应等。 ? 如果我们是企业家，要提高合成氨学生认为:根据合成氨的 的经济效益应采取什么措施, 特点，应从化学反应速率 教师对学生提出的见解进行评价。 和化学平衡两个角度来分转换角色，激发兴 析，要充分考虑经济效益趣。 合成氨的适宜 问题。一要使反应进行得条件 更快，二要使产品的产量 更多。 深化对知识点的 [思考] 理解。 ?怎样改变条件加快合成氨的反应速学生讨论。 率, ?怎样改变条件能提高氨在平汇报讨论结果(表2)。 衡混合物中的百分含量, 投影:讨论结果 思考: ? 既然增大压强可提高反应速率，又可提学生回答:需要考虑设备 高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是的承压能力。 否越大越好呢, ? 显然，从化学反应速率和化学平衡两个 方面考虑，对压强要求是一致的，而对温引起矛盾，解决实 度的要求是矛盾的。怎样解决这个矛盾, 际问题。 师生互动:师生共同分析教材64页资料 库，通过数据分析理解合成氨中温度选择 的因素。 分析数据。 [投影]表3。 [小结]我们除了从反应原理方面分析外，还完成65页思考与讨论 要从材料和设备方面分析才能确定合 成氨工业的适宜条件。 [教师介绍]介绍哈伯寻找合适催化剂的故 事。 明确合成氨工业[总结]无论硫酸的生产还是合成氨的适宜条件选择依据。 条件的选择，必须全面考虑问题，既 注意外界条件对反应速率和化学平衡 影响的一致性，又要注意其矛盾性， 同时兼顾催化剂的活性对温度的限 制。也就是理论要联系实际. [拓展延伸]同学们，请在课后查阅资料，了 解合成氨的过去、现在和未来，我们 将在拓展型课上交流学习心得。 引发学生对人类 生存问题的关注。 2、主要板书 ?6.3 化工生产能否做到又快又多 二、合成氨的适宜条件 高温高压 一、工业制硫酸 N+3H2NH 催化剂 22 3 ,,,, 4FeS+11O2FeO+8SO(沸腾炉) 22 232加快速率:高压、高温、催化剂 催化剂 使平衡向正反应方向移动:高压、低温 加热 生产实际:20MPa,50MPa、500?、铁催化剂 2SO+O 2SO (接触室) 223 SO+HO ? HSO (吸收塔) 三、课的小结 3224 3、相关链接 ? 合成氨原料气的制取 要生产合成氨，首先要制造含有氮、氢混合气的原料气。用于制造原料气的原料可分为固体原料、液体原料和气体原料三种。固体原料主要有煤和焦炭。将煤或焦炭放入半水煤气发生炉里，交替通入空气和水蒸气，就可以得到半水煤气。半水煤气的有效成分是N和H，22还含有CO、CO和HS等杂质。半水煤气经净化后，可做合成氨的原料气。 22 液体原料主要有原油、轻油、重油等。它们可用分子式CH表示。用水蒸气和氧气的混mn 合气体来气化重油，可得到H和CO。利用重油气化法制取合成氨原料气，是近代合成氨工2 业中的一个重要发展。 常用的气体原料有天然气、油田气、炼厂气和焦炉气等四种。在这些气体原料中，天然气用量最大。我国四川省有以天然气为原料的大型合成氨厂。用天然气制合成氨原料气的方法很多，概括起来可分为四大类，即热解法、水蒸气转化法、部分氧化法和综合法。 热解法是在没有触媒的情况下，用高温使天然气中的甲烷受热分解而制得氢气的方法: 高温CH 2H+ C ,,,,42 水蒸气转化法是在700 ?,900 ?的温度下，使水蒸气和甲烷通过镍触媒而起反应: CH+ HO ? CO+3H 4 22 部分氧化法是在950 ?左右和镍触媒的作用下，使甲烷进行不完全氧化: 2CH+ O? 2CO+4H 4 2 2 综合法是在制取乙炔的同时，副产合成氨原料气。将天然气和氧气同时通入转化炉中，高温下使部分甲烷进行燃烧，放出的热使剩余的天然气受热后分解而生成乙炔和氢气，分离后可得到氢气。 2CH? CH+ 3H 4 22 2 ? 合成氨的催化机理 热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。目前认为，合成氨反应的一种可能机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH和NH，最后氨分子在表面上脱吸而23 生成气态的氨。上述反应途径可简单地表示为: 1xFe + N? FeN 2 x2 FeN +,H,? FeNH 吸x x FeNH +,H,? FeNH 吸x x2 FeNH，,H,FeNH xFe+NH 吸x2 x33 在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335 kJ/mol。加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应活化能为126 kJ/mol,167 kJ/mol，第 二阶段的反应活化能为13 kJ/mol。由于反应途径的改变(生成不稳定的中间化合物)，降低了反应的活化能，因而反应速率加快了。 ? 催化剂的中毒 催化剂的催化能力一般称为催化活性。有人认为:由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变，一旦制成一批催化剂之后，便可以永远使用下去。实际上许多催化剂在使用过程中，其活性从小到大，逐渐达到正常水平，这就是催化剂的成熟期。接着，催化剂活性在一段时间里保持稳定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用。活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命，其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。 催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称为催化剂的中毒。一般认为是由于催化剂表面的活性中心被杂质占据而引起中毒。中毒分为暂时性中毒和永久性中毒两种。例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，O、CO、CO和22水蒸气等都能使催化剂中毒。但利用纯净的氢、氮混合气体通过中毒的催化剂时，催化剂的活性又能恢复，因此这种中毒是暂时性中毒。相反，含P、S、As的化合物则可使铁催化剂永久性中毒。催化剂中毒后，往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氢、氮混合气体处理，活性也很难恢复。催化剂中毒会严重影响生产的正常进行。工业上为了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。 ? 化学模拟生物固氮的研究 目前，化学模拟生物固氮的重要研究课题之一，是固氮酶活性中心结构的研究。固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白这两种含过渡金属的蛋白质组合而成。铁蛋白主要起着电子传递输送的作用，而含二个钼原子和二三十个铁和硫原子的钼铁蛋白是络合N或其他反应物(底物)分2 子，并进行反应的活性中心所在之处。关于活性中心的结构有多种看法，目前尚无定论。从各种底物结合物活化和还原加氢试验来看，含双钼核的活性中心较为合理。我国有两个研究组于1973—1974年间，不约而同地提出了含钼铁的三核、四核活性中心模型，能较好地解释固氮酶的一系列性能，但其结构细节还有待根据新的实验结果精确化。 国际上有关的研究成果认为，温和条件下的固氮作用一般包含以下三个环节:?络合过程。它是用某些过渡金属的有机络合物去络合N，使它的化学键削弱;?还原过程。它是用2 化学还原剂或其他还原方法输送电子给被络合的N，来拆开N中的N?N键;?加氢过程。22 +它是提供H来和负价的N结合，生成NH。 3 目前，化学模拟生物固氮工作的一个主要困难是，N络合了但基本上没有活化，或络合2 活化了，但活化得很不够。所以，稳定的双氮基络合物一般在温和条件下通过化学还原剂的 作用只能析出N，从不稳定的双氮络合物还原制出的NH的量相当微少。因此迫切需要从理23 论上深入分析，以便找出突破的途径。 固氮酶的生物化学和化学模拟工作已取得一定的进展，这必将有力地推动络合催化的研究，特别是对寻找催化效率高的合成氨催化剂，将是一个有力的促进。 六(教学反思 化学反应速率和勒夏特列原理向来是化学基本理论教学中的重要内容，如何应用原理解决化工生产中的实际问题，并使学生了解选择化工生产条件的思路和依据，便是这节课的主要目的。 本节课的设计，试图为学生提供自主学习的时间和空间，体现在:让学生有充分时间阅读、分析、思考，有足够的时间讨论解决问题的;在学生充分思考的基础上，对有难度的问题及时分解，为学生设置阶梯，使其顺利作答。这样，使得学生在思考与讨论中，不断利用已有知识解决现有问题，从而加深对所学理论的理解。 本节课涉及的是化工生产的问题，对此，教师可能也比较陌生。如果学生善于质疑的话，在本课中可能会提出不少令教师也难以回答的问题，故教师应有思想准备，课前认真查阅资料，对制硫酸和合成氨的生产过程做到了然于胸。此外，教师也可让学生动手查阅资料，课上交流讨论。