第四節 合成氨條的選擇
從容說
合成氨工業對化學工業和我國實現農業現代化具有重要意義。本節內容體現了化學反應速率和平衡移動原理等理論對工業生產實踐的指導作用。能夠培養學生理論聯系實際的意識。通過本節的學習，也可進一步加深學生對所學理論的理解。從內容上分，本節共介紹了兩個知識點。其一主要是通過討論引導學生運用化學反應速率和化學平衡原理等知識，綜合考慮合成氨生產中動力、設備、等的實際情況，合理地選擇合成氨的生產條；其二是拓寬思路，探討合成氨的發展前景。當然，前者是本節教學的重點和難點。
在教學中，針對合成氨反應是一個放熱的、氣體總體積縮小的可逆反應，首先要求學生運用已學過的知識，討論增大合成氨的化學反應速率所應采取的措施。在此基礎上，再要求學生根據提供的有關實驗數據，討論提高平衡混合物中NH3的含量所應采取的方法。然后，結合合成氨生產中動力、、設備、催化劑活性等實際情況，通過具體分析，得出合成氨時壓強、溫度、催化劑等的最佳條。此外，應通過合成氦生產過程示意圖、濃度等條對合成氨的影響，原料的循環使用等問題，使學生理解合成氨條的選擇應以提高經濟效益為目的。
本節第二部分內容的教學，其目的不在于知識本身，而是更多地側重了培養學生的創新精神和科學方法的訓練，教學過程中應適度把握。
●教學目標
1. 使學生理解如何應用化學反應速率和化學平衡的原理，選擇合成氨的適宜條。
2. 使學生了解應用化學原理選擇化工生產條的思路和方法。
3. 通過運用化學反應速率和化學平衡原理選擇合成氨的適宜條，培養學生分析問題解決問題的能力以及對所學理論的應用能力。
4. 通過對合成氨工業未的展望，激發學生熱愛祖國、刻苦學習的激情。
●教學重點
應用化學反應速率和化學平衡的原理選擇合成氨的適宜條
●教學難點
使學生理解如何用化學反應速率和化學平衡的原理選擇合成氨的適宜條
●時安排
一時
●教學方法
1. 通過復習化學反應速率和化學平衡移動的有關知識，啟發學生得出應用化學原理選擇化工生產條的思路和依據，并結合生產實際，討論得出合成氨的適宜條。
2. 通過觀看合成氨的錄像，使學生了解濃度對合成氨的影響及原料氣的循環使用等問題。
3. 通過閱讀和討論，使學生明確化工生產條并非一成不變，激勵學生為選擇更好的合成氨條而努力學習。
●教具準備
合成氨錄像帶、合成塔模型、投影儀、膠片
●教學過程
［復習提問］
1. 影響化學反應速率的因素有哪些？
［生］濃度、溫度、壓強、催化劑等。
2. 要使一個化學平衡發生移動，可改變哪些條？
［生］濃度、溫度，有氣體的反應可改變壓強。
［師］在化工生產上選擇生產條，離不開化學反應速率和化學平衡的有關知識，我們這節就學習合成氨條的選擇。
［板書］第四節 合成氨條的選擇
［師］請大家寫出合成氨的化學方程式。
［一個學生板演］N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
［師］請大家結合我們第一所學知識，說出這個反應有何特點？
［生］學生甲：反應物和生成物全為氣體。學生乙：是氣體體積縮小的可逆反應。學生丙：正反應是放熱反應。
［教師提示］該反應常溫常壓下容易進行嗎？為什么？
［生］N2分子結構穩定，N≡N不易斷裂。
［討論］如果你是一個合成氨工廠的技術人員，為了提高經濟效益，即提高氨氣的產量，你首先要考慮什么問題？
結論：1. 如何加快反應速率；2. 如何提高NH3在平衡混合氣中的含量。
［師］那么我們要快合成氨的反應速率而且還要使平衡盡可能正向移動，可以采取哪些措施呢？請同學們討論以后填寫下表。
［投影］
目的
選擇
條使NH3生產得快（從速率分析）使NH3生產得多（從平衡分析）
壓強
溫度
催化劑
濃度
說明：有條的學校可把上表制成多媒體，學生討論后，邊回答，邊顯示出正確答案，最后得出如下結果：
目的
選擇
條使NH3生產得快（從速率分析）使NH3生產得多（從平衡分析）
壓強增大壓強增大壓強
溫度升高溫度降低溫度
催化劑使用催化劑無影響
濃度增大反應物濃度增大反應物濃度減小生成物濃度
［師］下面我們就根據上表和化工生產的實際情況，分析一下合成氨的適宜條。
［板書］一、合成氨的條選擇
1. 壓強
［師］從上表可以看出，從反應速率和化學平衡移動分別考慮，對壓強的要求是一致的，增大壓強，既能加快反應速率，縮短達到平衡的時間，又能提高氨氣在平衡混合氣中的含量，那么是不是壓強越大越好？一般采取多大壓強？請同學們打開本，閱讀P50。
［生］因為壓強越大，需要的動力越高，對材料的強度和設備的制造要求也越高，這會大大增加投資，并可能降低綜合經濟效益。目前合成氨廠一般采用的壓強是20 Pa～50 Pa。
［板書］20 Pa～50Pa
［師］下面我們再看溫度的選擇
［板書］2. 溫度
［師］從上表分析，高溫有利于加快反應速率，但卻降低了平衡時氨氣在混合氣體中的含量，低溫可以提高氨氣在平衡混合氣中的含量，但反應速率慢，需要很長時間才能達到平衡狀態，這在化工生產上也是很不經濟的。所以溫度不能太低，也不能太高，工業上一般在500℃左右的溫度下進行。
［板書］500℃左右
［師］選擇500℃左右的溫度，還與另外一個因素有關，那就是催化劑的使用。
［板書］3. 催化劑
［師］合適的催化劑能成萬倍的增大化學反應速率，縮短反應達到平衡需要的時間，但催化劑的活性與溫度有關，對于合成氨使用的催化劑，在500℃左右時活性最大，因此選擇500℃左右的溫度。
那么合成氨工業采用什么催化劑呢？1909年德國化工專家哈伯發現了鋨催化劑，但鋨是貴重金屬，以鋨為催化劑不利于合成氨的普及，后，德國化學家波施經過兩萬多次的實驗，終于得到了理想的以Fe為主體，含少量、g、Al和Ca的多成分催化劑，一直使用到今天，工業上稱為鐵觸媒。
［板書］鐵觸媒——以鐵為主體的多成分催化劑。
［師］工業上在上述溫度、壓強和催化劑作用下，可使平衡混合氣中NH3的體積分數達到多大呢？請同學們打開本49頁，看表2—5，看一下在500℃、20 Pa～50 Pa時NH3的體積分數大約為多少？
［生］26.4%左右。
［師］顯然，NH3的產率并不太高，那么還需要采取什么措施提高NH3的產率呢？
［生］改變濃度。
［師］對，從前邊的分析可知，增大反應物的濃度或減小生成物的濃度，均可使化學平衡正向移動，那么工業上是如何增大反應物濃度減小生成物濃度的呢？下面請大家注意看合成氨的錄像，注意看工業上為提高反應物轉化率，在濃度方面采取了什么措施？合成氨的反應在什么設備中進行的，這個設備有何特點？氣體在其中是如何流動的？
（放錄像）
［師］從錄像中看出，為提高原料的利用率，在生產過程中還采取了哪些措施？
［生］把NH3液化分離出去，N2、H2混合氣體循環使用，及時補充N2和H2。
［板書］4. 濃度：分離出NH3后的N2、H2循環使用，并及時補充原料氣。
［問］大家注意到補充原料氣時N2和H2的比例了嗎？
［生］1∶3。
［師］對，N2和H2開始以1∶3的體積比進入合成塔,分離出的氣體中N2和H2仍為
1∶3，再以1∶3的體積比補充原料氣，就可以使反應物始終保持一定的濃度，避免了不斷調整反應物配比的麻煩。
那么，從平衡混合氣中分離出NH3，利用了氨氣的什么性質呢？
［生］易液化。
［師］合成氨是在什么設備中進行的？
［生］合成塔。
［展示］合成塔模型
［師］請大家結合剛才的錄像，說一說合成塔結構上有什么特點？
［生］①有耐高壓的厚壁；②安放有厚層的催化劑；③有熱交換器。
［師］由于合成氨的反應是放熱反應，通過熱交換器，可以預熱氮、氫混合氣體，使熱量得到充分利用，那么這樣的設備是不是最好的設備呢？將還有可能有更好的設備嗎？請同學們閱讀本——合成氨工業的發展前景。
［板書］二、合成氨工業的發展前景
［師］看完后請同學們討論一下，如果你是一位工程師，你想采取什么辦法進一步提高氨產量？或降低合成氨的成本？
［生］①研制新的能承受高壓的材料。②研制新的能產生高壓的設備。③研制合成新的催化劑。
［師］合成氨條的選擇是與科學進步、動力、材料、設備等條的改善緊密聯系的，隨著科技的發展，我國合成氨工業已有迅速發展，1949年全國氮肥產量僅0.6萬噸，而1982年達到1021.9萬噸，成為世界上產量最高的國家之一。目前一些科學家正努力研制新的催化劑，試圖使合成氨的反應在較低溫度下進行。那么，如果新的催化劑研制成功，會不會減緩合成氨生產中對壓強的要求而減少設備制造的投資呢？
［學生討論后可能得出以下兩種結論］一、不會。因為催化劑只能加快反應速率而不能引起平衡移動，而增大壓強是為了使平衡向正反應方向移動，以增大NH3的產量。二、會，因為新催化劑可以使反應在較低溫度下就有很大的反應速率，這樣降低了反應所需溫度，低溫有利于平衡正向移動，增大NH3的產量，這樣就可以減緩生產中對壓強的要求而減少設備制造的投資。
［教師］同學們說得都有道理，增大壓強和降低溫度都有利于提高NH3的產量，并不矛盾，所以若能研制出新的催化劑，降低反應所需溫度，又能研制出能承受高壓且廉價的新材料，豈不更好？希望同學們好好學習，為我國合成氨工業的發展更上一個新臺階做出貢獻。
下面請同學們回憶一下合成氨化工生產條的選擇依據，回答下列問題：
［投影］在制硫酸的工業生產中，有以下反應：2SO2（g）+O2(g) 2SO3(g)（正反應為放熱反應），反應溫度為450℃，使用V2O5為催化劑。在此條下，如果壓強為0.1 Pa，SO2的轉化率為97.5%；壓強為10 Pa，SO2轉化率為99.3%，回答：
（1）工業生產中選擇450℃左右的溫度，原因是什么？
（2）增大壓強時合成SO3是否有利？在實際生產中應如何選擇壓強？為什么？
（3）生產中要用過量的空氣，為什么？
［答案］（1）為了加快反應速率且使催化劑活性最強，所以選擇450℃。
（2）有利。在實際生產中應采取常壓，因常壓下反應物已有很高轉化率，增大壓強雖然可提高SO2轉化率，但對設備要求也高，得不償失。
（3）用過量的空氣，可增大反應物中O2的濃度，從而加快反應速率，并提高SO2的轉化率。
［布置作業］P50一、二、三、四、五
●板書設計
第四節 合成氨條的選擇
一、合成氨的條選擇
1. 壓強：20 Pa～50 Pa
2. 溫度：500℃左右
3. 催化劑：鐵觸媒——以鐵為主體的多成分催化劑。
二、合成氨工業的發展前景
●教學說明
應用化學原理選擇化工生產條是本節的重點內容，因此在本節的教學中我通過引導學生分析合成氨的反應特點，啟發學生從加快反應速率和促進平衡正向移動討論生產條，以加深學生對所學知識的理解，并提高其應用所學知識解決實際問題的能力。在教學中，通過放錄像和觀看合成塔模型，使學生對合成氨的生產過程和設備有所了解，并增強學生的學習興趣，然后從合成氨的設備引出合成氨的前景討論，在活躍的堂氣氛中，使學生輕松地掌握本節的知識。
［參考練習］
1．工業上合成氨時一般采用500℃左右的溫度，其原因是( )
A．適當提高NH3的合成速率
B．提高H2的轉化率
C．提高NH3的產率
D．催化劑在500℃左右活性最大
答案：AD
2．對于合成氨的反應說，使用催化劑和施以高壓，下列敘述中正確的是( )
A．都能提高反應速率，都對化學平衡狀態無影響
B．都對化學平衡狀態有影響，都不影響達到平衡狀態所用的時間
C．都能縮短達到平衡狀態所用的時間，只有壓強對化學平衡狀態有影響
D．催化劑能縮短反應達到平衡狀態所用的時間，而壓強無此作用
答案：C
3．在一定條下，合成氨反應達到平衡后，混合氣體中NH3的體積占25％，若反應前后
條保持不變，則反應后縮小的氣體體積與原反應物體積的比值是( )
A．1／5 B．1／4 C．1／3 D.1／2
答案：A
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