工业制硫酸合成氨的适宜条件

资源信息表
§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、流程说明
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页相关内容。

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：共同分析表1。

表1
学生活动4表2
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
1、教学过程
3、相关链接
⑴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。

液体原料主要有原油、轻油、重油等。

它们可用分子式C m H n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：
CH4−
−高温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，使反应以显着的速率进行。

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 2和NH 3，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：
x Fe + 2
1N 2 → Fe x N
Fe x N +［H ］吸 → Fe x NH Fe x NH +［H ］吸 → Fe x NH 2 Fe x NH 2 ＋［H ］吸Fe x NH 3 x Fe+NH 3
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。

⑶ 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 2、CO 、CO 2和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。

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：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主要困难是，N2络合了但基本上没有活化，或络合活化了，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N2，从不稳定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，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方案；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。