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高中化学人教版选修2教案 人工固氮技术---合成氨(课时2)

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时间:2021-06-08

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资料简介

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人工固氮技术——合成氨第二课时一、教材分析和建议本课题围绕着合成氨的反应原理以及实现工业化生产的有关问题展开讨论,帮助学生了解合成氨工业生产的主要原理和过程,认识并体会由实验室研究到工业化生产所需要经历的过程。教科书的设计是,为了说明如何将大气中的氮固定下来这一中心问题,首先,呈现问题提出的背景,也就是人们为什么要想方设法地将大气中的氮固定下来,直接的原因是满足人类对氮肥、硝酸等含氮化合物的需要,间接的原因是地壳中氮元素的含量少、分布不均;紧接着的问题是如何将大气中的氮固定下来,指出合成氨在科学上和技术上的突破。最后,讨论和评价并引发思考合成氨工业发展所面临的新问题。 这种设计整体上体现了技术实践中问题解决不断循环发展的一般过程,如下页图所示。教学建议如下:1. 注意引导学生思考人工固氮技术——合成氨对于人类社会发展的重要意义,体现化学与技术发展的社会需求导向,并对技术生产评价标准的多元化有一个初步的认识。说明在化学研究中,有些课题是属于学术研究的热点和重点,但不一定是技术研究开发的热点和重点,技术研究往往要解决实际生产和生活中的具体问题,是受社会需求驱动的,这一点贯穿于整个教科书体系的设计中。另外,化学技术创新往往要落实在一种产品的生产上,合成氨就是这方面的典型代表。在课题 1了解化工生产过程中的基本问题的基础上,引导学生思考将实验室研究转化成实际生产时面临的一些问题,展示由一种原理上可行的设想转变成实际生产过程中人们所要付出的艰苦努力。对于有志于理工科的学生来说,在培养科学技术素养的同时不断提高人文素养;对于有志于人文学科的学生来说,要帮助他们形成对于科学技术在社会发展中重要作用的正确认识。例如,可以结合对哈伯其人其事(见教学资源 )的分析评价,请同学们讨论和交流各自的看法。 2. 通过实验学习合成氨的反应原理,利用化学反应速率、化学平衡移动原理分析和讨论合成氨的适宜反应条件。由于氮气具有特殊的稳定性,合成氨是人工固定氮的一种方法,但反应条件比较苛刻。如何实现这一具有重要意义的反应,需要从实验室研究开始,根据已有的化学反应有关原理,探究提高氨转化率的适宜反应条件。因此,影响化学反应速率的因素、化学平衡以及化学平衡移动的原理,是学生理解这些内容的重要基础。需要注意的是,在本单元的课题 1 中结合硫酸生产,已经涉及到这些内容,在此需要根据合成氨这一具体反应,进一步对有关问题加深理解。从更深层次来说,注意揭示现代生产技术发展中科学基础性作用变得越来越重要的趋势。 3. 结合合成氨的基本生产过程以及合成氨工业的发展,帮助学生理解实际生产过程中应该考虑的问题,认识和体会由实验室到工业化生产的转变所要解决的一些具体问题。例如,如何比较经济地获得的原料气体?为什么要进行原料气的净化?采用什么样的流程才能实现连续化生产?如何将产品同未发生反应的反应物和其他产物进行分离?今后工艺改进的重点是什么?等等。所有这些问题,都与实验室研究存在着哪些区别?考虑的角度和解决的方法有哪些不同?引导学生认识和体现化学与技术的区别和联系。 4. 设计教学过程时,课题的引入可以有多种形式,如可以从社会、生产和生活的现实问题引入,也可以从合成氨在科学技术历史中的地位和作用引入,还可以从实验室研究与大规模生产的区别与联系,强调技术实践的特殊性引入。总之,需要教师根据学生的今后志向、基础以及其他具体条件,采用自己擅长的方式导入,展开教学内容,体现不同的教学风格。 5. 对由实验室研究转化为实际生产的问题,可以指导学生阅读“科学史话”,对其转化过程的具体情况和解决问题的艰难程度有所体会。另外,还可以结合归纳与整理中的图示,引导学生思考一些问题,如尽管实验室和工厂中进行的化学反应是完全一样的,但化学工业必须考虑用较低的成本获得大量的高品质产品,至少有四个关键问题,即工程、效益、三废处理以及安全问题。例如,对于一个放热反应,在实验室中进行时可能不需要考虑热量的回收和利用问题,但当反应放大百万倍,连续生产中产生的热量就必须认真对待了。类似的问题还有很多,可以由学生自己分析、讨论和提出一些有价值的问题,并设计和交流各自解决的方案,如果条件允许,可以到化工厂进行实地的考察、参观和咨询。 教学重点:合成氨的反应原理,合成氨生产的适宜条件。教学难点:合成氨生产的适宜条件。 二、活动建议 【实验 1-1】本实验模拟工业上合成氨的原理和过程。催化剂也可用 5 g还原铁粉充分混和在石棉绒上制成,用酒精喷灯或煤气灯加热至红热,混合气体的推入不宜过快。 三、问题交流 【思考与交流 1】参考图 1-4中氮在自然界的循环,引导学生讨论在循环过程中,几个主要环节上氮元素存在的形式,以及它们之间相互转化的化学反应。一要体会氮和含氮化合物对于人类和其他生物生存和发展的意义;二要指明地壳中含氮化合物(如硝石)不仅矿藏数量有限,而且分布不均,而大气中的氮则是充足、廉价的资源;三要分析含氮物质相互转化的几种可能过程,如与高温电弧固氮、生物固氮相比,目前合成氨这种人工固氮的成熟技术的特点和重要性。 【思考与交流 2】 1. 通过实验 1-1可以看到,在实验室条件下,由氮气、氢气直接合成氨是可以实现的,其中,铁丝绒催化剂可以显著地提高反应速率。由此,可以讨论这种合成氨方案的主要优点:反应物(生产原料)氮气和氢气都是比较容易得到的,虽然获得氢气相对来说较难,但自然界中大量碳氢化合物和水不仅可以提供大量的氢气,还可以提供合成氨所需的能量。虽然实验室中氨合成的量较少,但在大规模生产中通过改变反应条件(适当的高温、增大压强、使用便宜易得的催化剂、通过液化及时分离氨等)可以提高氨的转化率。 2. 合成氨反应是一个可逆、放热、气体分子总数减小的反应。因此,根据勒夏特列原理,温度越低、压强越大,该反应的平衡体系中氨含量越高;但降低温度则反应速率降低,因此,要实现工业化生产必须选择适宜的反应条件,其中,合适的催化剂将起到关键作用。一般说来,正确地选择温度、压强等反应条件和采用适当的催化剂,是提高生产效率、降低生产成本的重要手段。 3. 原理上可行的化学反应,当用于工业化生产时,应该考虑的问题主要有:从经济上必须考虑该产品的市场前景如何,物料的使用和转运、能耗、设备的投入和产出是否合算,等等;从环境影响考虑,厂址的选定、原料的处理、生产过程以及“三废”处理如何达到国家有关的法规、标准;还要考虑现有的设备和技术条件能否合理实现反应的条件,操作安全是否可靠,能否实现自动控制等。可以结合后面的科学史话,与同学们共同分析和讨论其中的具体问题。 【思考与交流 3】1. 使没有起反应的物质从反应后的混合物中分离出来,并重新回到反应器中。从原因来说,很多化学反应并不能一次反应进行到底,常常不能得到唯一需要的产品,特别是一些转化率低、副反应多的有机反应,因此,有必要进行循环操作;从结果来说,循环操作的主要目的在于充分地利用原料、降低成本;从工艺设计以及环境保护角度来说,循环操作有利于实现全封闭、连续化生产,有利于减少工序、控制废弃物的排放,因此,循环操作常常成为化学工艺设计时重点考虑的问题。 2. 联合生产可以使原料、产品等物料得到充分的利用,减少物流交通所耗费的人力、物力,降低产品的成本。可以实现能量和设备等资源、技术的共享,也是绿色化学工艺改进的一条重要思路。从经济角度,联合生产有可能实现大规模生产,以求得规模效益和综合效益的最大化。例如,合成氨与硝铵、碳铵等氮肥生产的联合,石油精炼厂与合成洗涤剂厂的联合生产等。讨论中,可以让学生介绍自己所了解的联合生产实例,也可以鼓励学生大胆地想象其中可能的联合生产方案。

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