63 化工生产能否做到又快又多.docx
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63化工生产能否做到又快又多
63化工生产能否做到又快又多
标题:
工业制硫酸合成氨的适宜条件
关键词:
硫酸的工业生产合成氨的适宜条件勒夏特列原理
化学平稳移动原理弗立茨·哈伯
描述:
本课是在学习了化学反应速率和化学平稳的基础上,了解简单的工业制硫酸和合成氨的生产过程。
教师在教学设计中,应体现化学反应速率和化学平稳移动原理等理论对工业生产实践的指导作用,使学生懂得工业生产中提升经济效益必须依靠科学和技术。
学科:
化学高一年级第二学期(试用本)>上科版>第六章>第三节
王延琴
单位
上海市继光高级中学
地址:
上海市高阳路690号
Email:
§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懂得。
本节课的教学分为两部分:
第一部分要紧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、材料等实际情形,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升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、过程与方法
(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
2、流程讲明
引入课题:
展现课题,明确化工生产所要关注的咨询题。
学生活动1:
阅读课本62页有关内容。
引出硫酸工业生产原理。
应用所学知识分析提升二氧化硫转化率的可能途径。
师生互动1:
共同分析表1。
表1
转化率
(%)
温度
压强(×101kpa)
1
5
10
25
50
100
400℃
99.2
99.6
99.7
99.9
99.9
99.9
450℃
97.5
98.9
99.2
99.5
99.6
99.7
500℃
93.5
96.9
97.8
98.6
99.0
99.3
550℃
85.6
92.9
94.9
96.7
97.7
98.3
学生活动4:
学生汇报(表2)。
表2
使氨生产得快
(从化学反应速率分析)
使氨生成得多
(从化学平稳分析)
浓度
增大N2、H2的浓度
增大N2、H2的浓度,
减小NH3的浓度
压强
高压
高压
温度
高温
低温
催化剂
使用
不阻碍
师生互动2:
共同分析教材64页“资料库”,通过数据分析懂得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
论
生
产
为增大合成氨的反应速率
增加N2、H2的浓度
增大
升高
加入
为提升平稳混合物中NH3的含量
减小平稳混合物中NH3的浓度
增大
降低
实
际
生
产
使气态NH3变为液态NH3,从平稳混合物中分离出去,并及时补充N2、H2。
20MPa~50MPa
500℃
左右
铁触媒
(500℃
左右时活
性最大)
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
工业制硫酸
[咨询题情形]我们已学习了有关化学反应速率和化学平稳等知识,那它们在化工生产实践中又有如何样的应用呢?
[摸索]展现标题“化工生产能否做到又快又多”,其中“快”和“多”分别体现的是工业生产哪两方面的要求?
[引入课题]这确实是化工生产中所需要兼顾的两方面咨询题。
那具体又是如何实现这两者对立统一的?
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页有关内容。
[摸索讨论]
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。
什么原因我国目前仍旧采纳硫铁矿作为制取二氧化硫的原料?
若用硫铁矿为原料制取硫酸,写出每一步的化学方程式,并标出化学方程式中电子转移的方向和数目。
[教师归纳]从上述咨询题中我们得出硫酸工业制法的要紧流程。
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”。
[摸索讨论]
什么原因要将矿石粉碎成专门细的粉末?
认真分析沸腾炉的结构,讲明它是如何样使反应物充分接触的?
③在二氧化硫的转化反应中,应用所学知识分析提升二氧化硫转化率的可能途径。
[师生互动]教师展现表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。
[师生小结]由此可见,化学反应速率和化学平稳移动原理,是化工生产中选择适宜反应条件的重要依据。
学生回答:
速率和产量。
学生阅读、讨论。
学生归纳出:
制取二氧化硫可选用硫磺、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氧化硫的其他原料中硫铁矿的含硫量较高。
学生书写、练习。
学生回答:
增大反应面积,加快化学反应速率。
学生回答:
高压、低温。
分析数据,查找规律。
直截了当切入主题,
激发学习爱好。
让学生明确化工生产所要关注的咨询题,为下面学习做好铺垫。
培养学生阅读能力
培养学生分析、评判咨询题的能力。
通过师生互动、讨论,逐步引出工业制硫酸的原理。
培养学生综合分析咨询题能力。
激发认知冲突,树立全盘考虑咨询题的意识。
再次明确化工生产所要关注的咨询题。
合成氨的适宜条件
[摸索]工业上通过什么途径猎取氨气?
[教师介绍]合成氨的重要意义。
[摸索]如何选择合成氨的适宜条件?
①合成氨的反应有什么特点?
(教师指导学生分析、总结。
)
②如果我们是企业家,要提升合成氨的经济效益应采取什么措施?
教师对学生提出的见解进行评判。
[摸索]
①如何样改变条件加快合成氨的反应速率?
②如何样改变条件能提升氨在平稳混合物中的百分含量?
投影:
讨论结果
摸索:
①既然增大压强可提升反应速率,又可提升氨的产量,那么在合成氨工业中压强是否越大越好呢?
②明显,从化学反应速率和化学平稳两个方面考虑,对压强要求是一致的,而对温度的要求是矛盾的。
如何样解决那个矛盾?
师生互动:
师生共同分析教材64页资料库,通过数据分析懂得合成氨中温度选择的因素。
[投影]表3。
[小结]我们除了从反应原理方面分析外,还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]介绍哈伯查找合适催化剂的故事。
[总结]不管硫酸的生产依旧合成氨的适宜条件的选择,必须全面考虑咨询题,既注意外界条件对反应速率和化学平稳阻碍的一致性,又要注意其矛盾性,同时兼顾催化剂的活性对温度的限制。
也确实是理论要联系实际.
[拓展延伸]同学们,请在课后查阅资料,了解合成氨的过去、现在和以后,我们将在拓展型课上交流学习心得。
学生阅读并写出合成氨的化学方程式。
学生摸索并尝试回答,合成氨反应的特点:
可逆反应;正反应为气体体积缩小;正反应为放热反应等。
学生认为:
按照合成氨的特点,应从化学反应速率和化学平稳两个角度来分析,要充分考虑经济效益咨询题。
一要使反应进行得更快,二要使产品的产量更多。
学生讨论。
汇报讨论结果(表2)。
学生回答:
需要考虑设备的承压能力。
分析数据。
完成65页摸索与讨论
明确合成氨工业的重要性。
在讨论中进一步巩固知识。
转换角色,激发爱好。
深化对知识点的懂得。
引起矛盾,解决实际咨询题。
明确合成氨工业条件选择依据。
引发学生对人类生存咨询题的关注。
2、要紧板书
3、有关链接
⑴合成氨原料气的制取
要生产合成氨,第一要制造含有氮、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。
固体原料要紧有煤和焦炭。
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,就能够得到半水煤气。
半水煤气的有效成分是N2和H2,还含有CO、CO2和H2S等杂质。
半水煤气经净化后,可做合成氨的原料气。
液体原料要紧有原油、轻油、重油等。
它们可用分子式CmHn表示。
用水蒸气和氧气的混合气体来气化重油,可得到H2和CO。
利用重油气化法制取合成氨原料气,是近代合成氨工业中的一个重要进展。
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专门多,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形下,用高温使天然气中的甲烷受热分解而制得氢气的方法:
CH4
2H2+C
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:
CH4 + H2O→CO+3H2
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:
2CH4+O2→2CO+4H2
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。
2CH4→C2H2+3H2
⑵合成氨的催化机理
热力学运算表明,低温、高压对合成氨反应是有利的,但无催化剂时,反应的活化能专门高,反应几乎不发生。
当采纳铁催化剂时,由于改变了反应历程,降低了反应的活化能,使反应以明显的速率进行。
目前认为,合成氨反应的一种可能机理,第一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持续地跟表面上的氮分子作用,在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3,最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。
上述反应途径可简单地表示为:
xFe+
N2→FexN
FexN+[H]吸→FexNH
FexNH+[H]吸→FexNH2
FexNH2+[H]吸
FexNH3
xFe+NH3
在无催化剂时,氨的合成反应的活化能专门高,大约335kJ/mol。
加入铁催化剂后,反应以生成氮化物和氮氢化物两个时期进行。
第一时期的反应活化能为126kJ/mol~167kJ/mol,第二时期的反应活化能为13kJ/mol。
由于反应途径的改变(生成不稳固的中间化合物),降低了反应的活化能,因而反应速率加快了。
⑶催化剂的中毒
催化剂的催化能力一样称为催化活性。
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,便能够永久使用下去。
实际上许多催化剂在使用过程中,其活性从小到大,逐步达到正常水平,这确实是催化剂的成熟期。
接着,催化剂活性在一段时刻里保持稳固,然后再下降,一直到衰老而不能再使用。
活性保持稳固的时刻即为催化剂的寿命,其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。
催化剂在稳固活性期间,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。
一样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。
中毒分为临时性中毒和永久性中毒两种。
例如,关于合成氨反应中的铁催化剂,O2、CO、CO2和水蒸气等都能使催化剂中毒。
但利用纯洁的氢、氮混合气体通过中毒的催化剂时,催化剂的活性又能复原,因此这种中毒是临时性中毒。
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,这时即使再用纯洁的氢、氮混合气体处理,活性也专门难复原。
催化剂中毒会严峻阻碍生产的正常进行。
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,如此就要增加设备,提升成本。
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。
⑷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。
铁蛋白要紧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N2或其他反应物(底物)分子,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,能较好地讲明固氮酶的一系列性能,但其结构细节还有待按照新的实验结果精确化。
国际上有关的研究成果认为,温顺条件下的固氮作用一样包含以下三个环节:
①络合过程。
它是用某些过渡金属的有机络合物去络合N2,使它的化学键削弱;②还原过程。
它是用化学还原剂或其他还原方法输送电子给被络合的N2,来拆开N2中的N≡N键;③加氢过程。
它是提供H+来和负价的N结合,生成NH3。
目前,化学模拟生物固氮工作的一个要紧困难是,N2络合了但差不多上没有活化,或络合活化了,但活化得专门不够。
因此,稳固的双氮基络合物一样在温顺条件下通过化学还原剂的作用只能析出N2,从不稳固的双氮络合物还原制出的NH3的量相当微少。
因此迫切需要从理论上深入分析,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,专门是对查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一直是化学差不多理论教学中的重要内容,如何应用原懂得决化工生产中的实际咨询题,并使学生了解选择化工生产条件的思路和依据,便是这节课的要紧目的。
本节课的设计,试图为学生提供自主学习的时刻和空间,体现在:
让学生有充分时刻阅读、分析、摸索,有足够的时刻讨论解决咨询题的方案;在学生充分摸索的基础上,对有难度的咨询题及时分解,为学生设置阶梯,使其顺利作答。
如此,使得学生在摸索与讨论中,持续利用已有知识解决现有咨询题,从而加深对所学理论的懂得。
本节课涉及的是化工生产的咨询题,对此,教师可能也比较生疏。
如果学生善于质疑的话,在本课中可能会提出许多令教师也难以回答的咨询题,故教师应有思想预备,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。
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