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高中人教版 (2019)第四节 化学反应的调控优质教案
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这是一份高中人教版 (2019)第四节 化学反应的调控优质教案，共6页。教案主要包含了导入新课，新课讲授等内容，欢迎下载使用。
第二章 化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
1、认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要意义，能讨论化学反应条件的选择和优化。
2、能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。
重点：利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。
难点：利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。
一、导入新课
合成氨的发展：
我国合成氨工业的发展是在20世纪30年代开始的，经过几十年的不懈奋斗和发展，我国已经拥有了许多不同流程、不同规模的合成氨工厂。
我国目前拥有了一支能够进行合成氨生产的科研等方面的研究技术团队，让我国已成为世界上最大的合成氨生产国，产量约占世界总产量的1/3。
合成氨的应用：
合成氨工业是关系我国国民经济的重要行业，是我国化肥工业的基础，也是传统煤化工的重要组成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡胶等；氨在冶金、机械加工、电子、造纸等行业用途广泛。
二、新课讲授
【展示】合成氨的热化学方程式
【设疑】根据热化学方式你能概括出合成氨反应的特点吗？
【学生概括】可逆性：反应为 反应
体积变化：正反应是气体体积 的反应
焓变： △H 0
【师】根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中按的含量？请填入下表。
对合成氨反应的影响
影响因素
浓度
温度
压强
催化剂
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中氨的含量
【师】升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都可以使合成氨的反应速率增大且有利于提高平衡混合物中氨的含量。催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。那么，在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？
【师】数据分析：表中的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1∶3)。分析表中数据，结合合成氨反应的特点，讨论应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量。
温度/℃
氨的含量/%
0.1 MPa
10 MPa
20 MPa
30 MPa
60 MPa
100 MPa
200
15.3
81.5
86.4
89.9
95.4
98.8
300
2.20
52.0
64.2
71.0
84.2
92.6
400
0.40
25.1
38.2
47.0
65.2
79.8
500
0.10
10.6
19.1
26.4
42.2
57.5
600
0.05
4.50
9.10
13.8
23.1
31.4
原理分析和对实验数据的分析均表明，合成氨时压强越大越好。但是，压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。目前，我国合成氨厂一般压强为10 MPa~30 MPa。
根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温以提高平衡转化率。实验数据也说明了这一点。但是，温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。因此，需要选择一个适宜的温度。目前，在实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃。
【提问】合成氨采用低温时可提高转化率，但为何未采用更低的温度？
【学生】小组讨论并回答。
【师】温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长，不经济。另外，合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500 ℃左右活性最大。
即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。通常采用加入催化剂的方法，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应。目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500 ℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400~500 ℃进行的重要原因。
【师】合成氨工业采用迅速冷却法，使气态氨变为液氨后及时从混合物中分离出去的目的是什么？
【学生】使化学平衡向生成氨的方向移动。
【总结】综上可知，要使合成氨的化学反应具有理想的反应速率和反应物的平衡转化率，应掌握合成氨化学反应本身的特点，运用化学反应速率和化学平衡原理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素，综合确定合成氨的条件。当前，从所用催化剂的活性对温度的要求、工业生产对化学反应的速率与限度的要求、制作生产设备的材料性能和技术水平、追求生产投入与产品的最大正效益等实际情况来看，400~500 ℃的温度、10~30 MPa的压强和铁触媒的组合是合成氨的最佳条件。
【师】化学反应的调控
1.影响化学反应进行的因素
（1）参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素；
（2）温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。
2、化学反应的调控
（1）含义
通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。
（2）考虑实际因素
a.结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适的生产条件。
b.根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。
【归纳小结】
工业生产中选择适宜生产条件的原则
外界
条件
有利于增大反应速率的条件控制
有利于平衡正向移动的条件控制
综合分析结果
浓度
增大反应物的浓度
增大反应物的浓度、减小生成物的浓度
不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂
加合适的催化剂
不需要
加合适的催化剂
温度
高温
ΔH<0
低温
ΔH>0
高温
压强
高压(有气体参加)
反应后气体体积减小的反应
高压
【课堂小结】
化学反应的调控
一、合成氨反应条件的原理分析
ΔH＝－92.4 kJ/mol
二、实际合成氨工业中选择的生产条件
1.压强：10~30 MPa
2.温度：400~500 ℃
3.催化剂：铁触媒
三、化学反应的调控
第二章 化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
1、认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要意义，能讨论化学反应条件的选择和优化。
2、能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。
重点：利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。
难点：利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。
一、导入新课
合成氨的发展：
我国合成氨工业的发展是在20世纪30年代开始的，经过几十年的不懈奋斗和发展，我国已经拥有了许多不同流程、不同规模的合成氨工厂。
我国目前拥有了一支能够进行合成氨生产的科研等方面的研究技术团队，让我国已成为世界上最大的合成氨生产国，产量约占世界总产量的1/3。
合成氨的应用：
合成氨工业是关系我国国民经济的重要行业，是我国化肥工业的基础，也是传统煤化工的重要组成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡胶等；氨在冶金、机械加工、电子、造纸等行业用途广泛。
二、新课讲授
【展示】合成氨的热化学方程式
【设疑】根据热化学方式你能概括出合成氨反应的特点吗？
【学生概括】可逆性：反应为 反应
体积变化：正反应是气体体积 的反应
焓变： △H 0
【师】根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中按的含量？请填入下表。
对合成氨反应的影响
影响因素
浓度
温度
压强
催化剂
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中氨的含量
【师】升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都可以使合成氨的反应速率增大且有利于提高平衡混合物中氨的含量。催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。那么，在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？
【师】数据分析：表中的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1∶3)。分析表中数据，结合合成氨反应的特点，讨论应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量。
温度/℃
氨的含量/%
0.1 MPa
10 MPa
20 MPa
30 MPa
60 MPa
100 MPa
200
15.3
81.5
86.4
89.9
95.4
98.8
300
2.20
52.0
64.2
71.0
84.2
92.6
400
0.40
25.1
38.2
47.0
65.2
79.8
500
0.10
10.6
19.1
26.4
42.2
57.5
600
0.05
4.50
9.10
13.8
23.1
31.4
原理分析和对实验数据的分析均表明，合成氨时压强越大越好。但是，压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。目前，我国合成氨厂一般压强为10 MPa~30 MPa。
根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温以提高平衡转化率。实验数据也说明了这一点。但是，温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。因此，需要选择一个适宜的温度。目前，在实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃。
【提问】合成氨采用低温时可提高转化率，但为何未采用更低的温度？
【学生】小组讨论并回答。
【师】温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长，不经济。另外，合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500 ℃左右活性最大。
即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。通常采用加入催化剂的方法，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应。目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500 ℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400~500 ℃进行的重要原因。
【师】合成氨工业采用迅速冷却法，使气态氨变为液氨后及时从混合物中分离出去的目的是什么？
【学生】使化学平衡向生成氨的方向移动。
【总结】综上可知，要使合成氨的化学反应具有理想的反应速率和反应物的平衡转化率，应掌握合成氨化学反应本身的特点，运用化学反应速率和化学平衡原理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素，综合确定合成氨的条件。当前，从所用催化剂的活性对温度的要求、工业生产对化学反应的速率与限度的要求、制作生产设备的材料性能和技术水平、追求生产投入与产品的最大正效益等实际情况来看，400~500 ℃的温度、10~30 MPa的压强和铁触媒的组合是合成氨的最佳条件。
【师】化学反应的调控
1.影响化学反应进行的因素
（1）参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素；
（2）温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。
2、化学反应的调控
（1）含义
通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。
（2）考虑实际因素
a.结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适的生产条件。
b.根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。
【归纳小结】
工业生产中选择适宜生产条件的原则
外界
条件
有利于增大反应速率的条件控制
有利于平衡正向移动的条件控制
综合分析结果
浓度
增大反应物的浓度
增大反应物的浓度、减小生成物的浓度
不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂
加合适的催化剂
不需要
加合适的催化剂
温度
高温
ΔH<0
低温
ΔH>0
高温
压强
高压(有气体参加)
反应后气体体积减小的反应
高压
【课堂小结】
化学反应的调控
一、合成氨反应条件的原理分析
ΔH＝－92.4 kJ/mol
二、实际合成氨工业中选择的生产条件
1.压强：10~30 MPa
2.温度：400~500 ℃
3.催化剂：铁触媒
三、化学反应的调控
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