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化学学科研究性学习案例——《合成氨条件的选择》
作者:田嘉庆 来源:职业技术2006.12总第52期 点击:44893次 评论:0

 
 
 
课程设计思想:
新一轮课程改革中,教师和学生角色的改变是突出的特征,发挥学生的主体学习地位、营造师生互动的学习氛围,改变学生学习的方式等都是课程改革的中心内容和环节。为了促进课程改革的深入和发展,使教学更贴近于工农业生产、更贴近于生活,使学生能真正感受到化学理论在实际生产中的指导作用,培养学生探索知识的能力,把本节课程采取了研究性学习的模式来进行,具体教学过程如下:
知识与技能:
1.使学生理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理,选择合成氨的适宜条件。
2.使学生了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。
3.培养学生的创新思维,训练科学方法。
4.培养学生理论联系实际,具体问题具体分析的能力。
过程与方法:
通过研究性学习的方式培养学生自主学习的能力和主动探究问题的意识。
情感态度与价值观:
1.通过汇报活动培养学生与人合作的团队精神。
2.通过对简史的研究,使学生体验科学探究的艰辛和喜悦,培养学生热爱科学的情感。
【教师引言】
自从人类掌握了人工固氮的方法,农业才发生了根本的变革,因为当前世界上90%以上的氮肥都是由NH3加工而成的。正如诺贝尔化学奖得主西博格所说的那样“:无论从经济发展还是人类进步角度而言,合成氨的实现都是二十世纪最辉煌的成就之一。”既然它如此重要,今天我们就共同探讨有关合成氨的内容。由于前面已经学习过化学反应速率和化学平衡,所以本节课以研究性学习的方式来进行。我们把本节课拓展为四个子课题,课下同学们也完成相应的查阅与整理,今天由各组进行成果汇报。在汇报过程中其他组同学有什么疑问,欢迎现场提出。
下面请第一小组同学为我们作有关《合成氨发展简史》的汇报。
第一小组:
【汇报同学】:
大家好,今天由我带领大家一起点击工业简史,纵观氨的发展。
合成氨从第一次实验室研究到工业化生产,大约经历了150年的时间。早在1975年,有人试图在常压下合成氨,后来有人在50个大气压下做这个实验,但都失败了。这时又有人提出在高压下进行氨的合成,这个人就是法国化学家勒夏特列,但很可惜的是他所用的N2、H2中混入了空气,在实验过程中发生了爆炸,在没有查明事故原因的情况下,他就放弃了这项实验。德国化学家能斯特也进行了这项研究,由于错用了一个热力学数据,以至得不出正确的结论,因而也放弃了。
在合成氨方面,虽然许多化学家都遇到了各种各样的困难,但有一位化学家却一直坚持这项研究——他,就是德国化学家弗里茨?哈伯。请大家看大屏幕(幻灯片1),这就是哈伯。他起初也想在常压下合成氨,但没有成功。后来他借鉴勒夏特列高压研究的方法,终于,他采用600℃、200个大气压、金属铁做催化剂的条件下,合成氨实验成功。这是一幅当时试验的装置图。(幻灯片2)合成氨的首次突破,引起了社会广泛的关注。当时,一位很有远见的工业化学家参观了哈伯的实验室,大家请看大屏幕(幻灯片3)这个人就是德国巴登苯胺纯碱公司总经理博施,他在参观完哈伯的实验室后做出了将氨的生产推向工业化的决定。这项工作整整花费了博施和许多科学家5年的时间。他们为了寻找高效、稳定的催化剂进行了上万次的实验,测试了2500多种的配方,终于,在1913年一个日产30吨氨的合成氨工厂建成并投产,一个几代科学家的梦想实现了。人类也结束了依靠天然氮肥的历史。
然而,提到合成氨就不能不使人联想到一战,它在造福于人类的同时,也使千千万万的人饱受战火的侵扰——因为它的出现解决了一战时期短缺的粮食和炸药的问题。
目前,世界已趋于和平,合成氨在各国化工业和国防业发挥着重要作用,我们的生活也因为它的出现变得丰富多彩。
【教师评价并设问】:使一战得以延续,说明一项重大的科技发明,在造福于人类的同时也可能危害于人类,但合成氨的实现毕竟给世界农业带来了福音,正如许多科学家所说的那样:“哈伯、博施是用空气制造面包的人。”
第一小组的汇报很精彩,请大家结合第一小组的汇报,从多角度分析:哈伯、博施成功的关键是什么?(研究方向、思想品质等)
(幻灯片4)
【发言学生A】:他们侧重了温度和催化剂的研究。
【发言学生B】:我认为他们是从前人的研究中吸取了经验和教训,才获得了成功。
【发言学生C】:他们持之以恒的科学品质是他们取得成功的关键。
【教师评价】:良好的科学品质是他们成功的首要条件,这也是我们应该学习的。那么合成氨工业应该选用怎样的条件呢?请第二小组为我们介绍。
第二小组同学:
【汇报同学甲】:大家好,我们小组研究的课题是《合成氨工业条件的选择》。
这是合成氨反应的方程式(幻灯片5)大家看,有什么特点?
【发言学生A】:可逆反应、正反应为放热反应、正反应为体积缩小的反应。
【汇报同学甲】:下面我想问大家一个问题:如果你是一个氨厂厂长,最关心什么问题?
【发言学生B】:多赚钱。
【发言学生C】:降低成本,最大限度的获得经济效益。
【汇报同学甲】:最大限度的获得经济效益办法之一就是要提高单位时间内的产量,那么怎样提高单位时间内的产量呢,我们可以设法使反应速率快一些,使反应进行的程度大一些,既涉及到反应速率和化学平衡问题。下面我们从压强、温度、催化剂三个方面分析他们对反应速率和化学平衡的影响,请同学们和我一起填表:
(幻灯片6)
合成氨具体采用哪些条件呢?请乙同学请乙同学为我们介绍。
【汇报同学乙】:这是我们小组同学在网上下载的一幅图片:
(幻灯片7)
图中曲线表示的是等压线,请大家看一看这幅图能说明什么问题?
【发言学生D】:说明压强越大达平衡时NH3产量越高。
【发言学生E】:氢氮比为3:1时产量最大。
【汇报同学乙】:请大家思考:实际生产中是不是压强越大越好呢?
【发言学生F】:我认为不是。因为压强越大对材料的强度、设备的要求就越高,这将会大大增加生产的投资;并且很高的压强也不是凭空产生的,也要耗费能源,这些都会提高产品的生产成本。
【汇报同学乙】:受动力、材料、设备等的限制,我国一般采用20Mpa—50Mpa,相当于200—500个大气压。
【发言学生G】:对不起。但据我们小组所查资料显示,由于近些年能源价格上涨,许多氨厂都采用降压生产,现在许多大型氨厂多采用的是15Mpa—20Mpa,以提高经济效益。
【汇报同学乙】:哦……这一点我们没查到,谢谢丁同学为我们小组补充了新的资料。
刚才在温度的选择上出现了矛盾,我们一会解决。先由丙同学为大家介绍催化剂的选择。
【汇报同学丙】:大家好,由我为大家介绍催化剂的选择。我们知道,氮气的结构比较稳定,即使在高温高压下,氮气、氢气的化合仍十分困难,我们可以采用加入催化剂的方法,以降低反应所需的能量,使反应在较低的温度下能进行。科学家在寻找催化剂的过程中作了不懈的努力,最初他们发现锇、铀是很好的催化剂,但这两种金属都很贵重,后来科学家们通过上万次的实验终于找到了高效、稳定的催化剂——铁触媒,从而使合成氨实现了工业化生产。寻找铁触媒试验次数之多,也被载入了世界纪录——也就是大家所熟悉的吉尼斯世界纪录。
【汇报同学乙】:这是我们小组查到的铁触媒催化能力随温度变化的曲线,现在我们解决温度的问题,合成氨应该选择什么样的温度呢?(幻灯片8)
【发言学生D】:500℃左右是催化剂活性最强,我想应该选用这个温度。
【发言学生H】:我不同意这种看法,温度越高N2、H2的转化率就越低,产品成本会增加,我想应该选用比500℃稍低一些的温度。
【汇报同学乙】:选择500℃时候反应速率最快,可最大限度的缩短生产周期,并且N2、H2可以循环使用,不会增加成本,所以实际生产中合成氨采用500℃左右的温度。所以D同学的看法是对的。
【发言学生H】:但是,据我们小组的调查,我国用的是A10型的催化剂,选用的温度是450℃啊。
(研讨气氛浓厚、气氛热烈)
【汇报学生乙】:这……我想可能是设备、技术等因素的影响吧,我国采用比500℃低一些的温度。但一般采用500℃。以上就是我们小组的研究成果。
综上所述,压强一般采用15Mpa—20Mpa,温度采用:500℃(齐答),催化剂是:铁触媒(齐答)。谢谢大家。(幻灯片9)【教师点评】:关于温度的选择,我说说我的看法。我想应该选择催化剂具有最大活性的温度。铁触媒是以铁为主,多成分的催化剂。成分不同,最大活性温度也不同。A10型催化剂的最大活性温度应该是450℃,教材提到的500℃应该是普通型号铁触媒的最大活性温度。这一点我们课下再共同查一查。
看得出,同学们不但对本组课题做了细致研究,还对其他组的课题做了一些工作。非常不错。研究性学习要体现的正是这种主动探究的学习品质。我们给这几名同学些掌声好不好?(掌声热烈)通过第二次小组的汇报不难看出,合成氨的实现得益于理论的指导,例如:化学平衡理论使哈伯认识到,若调整影响平衡的条件,从前认为不可能发生的反应也许是可以发生的,反之,合成氨的摸索与实践又促进了相关理论的发展与完善,正是这种理论与实践的相互结合,才使科学家们找到了适宜的条件,下面看我们能不能活学活用,分析一个实际生产问题。
在制硫酸的工业中有以下反应(:幻灯片10)
请结合图表,从温度、压强等角度考虑,为其选择适宜的生产条件。
【发言学生A】:4500C时达平衡SO3的产量更高一些,所以温度选用4500C;压强方面,压强越大,SO3产量越高。但压强太大,会提高成本,所以我选用50个大气压。
【发言学生B】:我认为50个大气压与1个大气压相比,达平衡时SO3产量差不多。选50个大气压还不如选常压生产。这样可以赚更多的钱。
【教师评价】:大家同意谁的观点?(同意乙的观点)乙学生可以创造更大的经济效益。我想下一届优秀企业家的称号应该授予你。
为了使大家对合成氨有一个完整的印象,第三小组对合成氨的工艺流程做了具体的研究,有请第三小组同学。
第三小组:
【汇报同学甲】:首先由我为大家介绍原料气的制备。我有一个问题想问大家:空气的主要成分是什么?
氮气、氧气(齐答)
我们可以采用降温的方法使空气液化,再利用氮气、氧气沸点不同蒸发空气就可以先得到氮气,这是制氮气的物理方法;亦可以采用化学方法:使炭在空气中燃烧,得到氮气和二氧化碳的混合气,再设法除去二氧化碳,便得到氮气。下面为大家介绍氢气的制法,我又有一个问题想问大家,工业上是怎样制氢气的?
【学生回答】:水煤气法
【汇报学生甲】:那水煤气的成分是什么?
【学生回答】:CO和H2,可以由C+H2O(气)CO+H2制得
【汇报同学甲】:非常好,CO和水蒸气在高温存在的条件下还
可以继续反应:
CO+H2O(气)CO2+H2
在工业上以煤炭为原料,将水蒸气通过炽热的炭层,除去CO2即得到H2。
除以煤炭制原料气外,还可用石油、天然气、石脑油等。我国以煤炭为主。(幻灯片11)有了原料气,现在我们就要制氨了,有请乙同学为我们介绍。
【汇报同学乙】:刚才制备原料气的过程叫做造气,为防止催化剂中毒我们要把原料气净化。由第二小组的汇报可知,当氢氮比为3:1时氨产量最大。我们把氢气、氮气按3:1通入空气压缩机内压缩得到高压气体,通入合成塔内合成。但即使在5000C、30Mpa时,达平衡时氨只占26.4%,为了提高氨的产量,我们还可以采用什么方法?
【发言学生A】:我想可以增大氮气和氢气的浓度,使平衡正向移动。
【发言学生B】:我想可以降低氨的浓度,因为氨的沸点高,很容易液化,这样把氨分离出去,可以使平衡正向移动。
【汇报同学乙】:非常好,我们实际可以采用使氨液化的方法。
由于氮气和氢气不易制得,所以甲的说法是不可取的。此外,如果让氮气、氢气只一次通过合成塔起反应是很不经济的,应将分离后的原料气循环使用,并补充新鲜的氮气、氢气,使反应物保持一定的浓度。(幻灯片12)
(展示动画)这是工业合成氨的模拟图。
这是我们小组同学在网上查到的合成塔的剖面图(幻灯片13)这是一个双层塔,冷的原料气从进料口进气,沿内外层塔间流动到底部,沿细管管间曲曲折折地向上流动,热的反应混合气走细管管内,原料气在这里经过预热后进入细管内合成。以上就是我们小组的研究结果。
【教师设问】:结合第三小组汇报,请大家探讨一个问题:合成氨工艺有哪些优点?
【发言学生A】:原料气的充分利用。氨的液化、分离。
【发言学生B】:通过热交换实现了余热的利用,余热如果有剩余,还可以做其他的用途,比如冬季供暖。另外它在合成塔内部热交换,也可以节约厂房的面积。
【教师评价】:非常好,大家的思维比较广阔。分析得很全面。
(幻灯片14)
目前,世界各国合成氨工业都有了较大的发展,我国也取得了长足的进步,第四小组的同学对这部分资料进行了收集与整理。
第四小组:
【汇报同学】:大家好,我们小组研究的内容是《合成氨发展现状》。从1913年到2003年,合成氨工业已经历了整整90年的历史,一战结束后,合成氨由为战争服务转向为农业、工业服务,近30年来合成氨工业发展很快,目前合成氨产量以中国、俄罗斯、美国、印度等国最大,约占世界总产量的一半以上,1981年世界以天然气制氨的比例约占71%,中国仍以煤、焦炭为主要原料制氨,天然气制氨只占20%。但自从70年代中东石油涨价后,从煤制氨路线已重新受到重视,专家预测:未来除有天然气的地方外要改用煤为原料制氨。
我国合成氨工厂解放前只有两家,幻灯片显示的是其中一家——永利碱厂(幻灯片15)解放后有了突飞猛进的发展,幻灯片显示的是50年代以来氨产量随年份的增长情况,70年代中期以后增长迅速,1995年年产量已达2763.7万吨,居世界第一位。(幻灯片16)
50年代到60年代,我国建设了1000多家中小氮肥厂,但小氮肥厂综合效益低。70年代起我国先后引进了30套年产30万吨以上的大型合成氨设备,构成我国合成氨工业的骨干力量。这幅图片显示的是氨厂数目随年份的增长情况:
这30套设备荟萃了当今世界上主要的合成氨生产技术,值得一提的是,上海吴泾化工厂是惟一一家国产化设备的化工厂(幻灯片17)年产100万吨氨。目前我国还有3套大型设备在建。我国已形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的合成氨的生产格局。
但随着国际竞争的日益激烈,近年来合成氨设备的大型化是世界的主流。我国兴建大型设备,改善中型、淘汰小型设备势在必行。
谢谢大家,以上就是我们小组的研究成果。
【教师点评】:至今,哈伯合成氨的方法,世界各国仍普遍采用,但它有没有缺点啊,有(学生齐答)例如反应条件要求高、原料气转化率低等,因此人们也一直在探索人工固氮的新方法。科学的发展离不开大胆的想象,现在请大家给自己插上想象的翅膀,狂想一下人工固氮的新方法。
(学生热烈讨论)
【学生A】:植物的根瘤菌可以固氮,我们可以想办法把植物的根瘤菌移植到果实上,让植物的果实吸收大气中的氮气,直接在果实内生成液态的氨,就像椰子中的椰子汁似的。
【学生B】:我认为不行,氨常温、常压下是气态的。但我想能不能克隆植物的根瘤菌,再利用根瘤菌在常温、常压下合成氨,这样不用高温、高压,氨的成本就非常低了。
(学生赞同、气氛热烈)
【学生C】:氮气、氢气之所以难化合,原因之一就是氮氮叁键能大,难破坏,我想可以想办法降低键能。我在课外书上看过,利用超声波可降低键能,这样它们的化合就变得容易了。
【学生D】:有机物中存在着氨基,能不能让有机废物中的氨基与氢结合就生成氨了。
【学生E】:我想没有必要,因为有机废物本身就是化肥了。
【学生F】:我有两种方案,第一种是我在网上查到的:现在有一种叫做“电合成法”的制氨方法,方程式与传统的合成氨一样,但这种方法原料气的转化率可达到78%,未来有望推广。第二种,未来可以找到一种在常温下具有很大催化活性的催化剂,这样即使采用传统的制氨方法,经济效益也是很好的。
(学生赞同、气氛热烈、学生继续举手要求发言)
【教师总结】:由于时间关系,今天我们就探讨到这。通过本次研究性学习,说明同学们具有较强的问题意识,能够发现并探究有价值的化学问题,同时体现出善于与人合作的团队精神,这些都是会使我们终身受益的财富,希望在今后大家成长的日子里,这节课对大家有所启示、有所帮助。
【反思和感悟】:合成氨这节课是一节化学理论在实际生产中直接应用的典型课,如果这堂课按照以往的教学方式授课,是一节枯燥无味、引不起学生兴趣的一节课,又因教师缺乏实际工业生产的经验,所以不一定会有很好的教学效果,但改为研究性活动课后,效果就完全不同了,把学生充分调动起来,学生查阅了大量的资料,进行了调查研究,获得了很多信息和数据,学生在获得大量知识的同时培养了多方面的能力,具体表现在:
1、充分发挥了学生的主体作用,培养学生的主体意识。
2、改变当前学生被动学习为主动学习,激发学习兴趣。
3、培养学生发现、研究问题的能力和体验科学研究的一般过程和方法。
4、让学生积极开动脑筋、大胆创造,培养学生的创新意识和实践能力。
5、充分发挥学生自身潜能,培养了学生使用高科技媒体的能力。
6、培养学生多渠道获取信息和分析信息的能力。
7、增强学生人际交往能力和团结协作的精神。
8、通过让学生了解社会,增强学生的社会责任感和使命感,培养学生奋发向上的健康的心理品质。
9、培养学生撰写报告、准确表达自己观点的能力。
课后对这节课进行了学生反馈,学生普遍反映:
1、非常喜欢这种授课方式,有新鲜感、有吸引力,的确感到了我们成为了课堂的主人。
2、课堂内容丰富,涉及面广,能提高我们的学习兴趣。
3、通过这种形式上课,我们感到了化学与生活紧密相关,看到了化学实用性很强。
4、通过访问、调查、研究,加深了我们的感性认识,要比老师单纯灌输效果好的多。
5、学生认为这样的课把德育教育融入其中,使我们很容易接受。如通过新、旧社会合成氨工业发展的对比,看到我国工业突飞猛进,看到祖国的强盛与兴旺,我们感到自豪。学生在建议中提到:
1、希望以后多上这样的研究性活动课,让我们的活动范围再广一些,实践时间再长一些。
2、因为刚开始上这样的课,我们还不太适应,语言表达还不够完美、精炼。希望以后多给锻炼的机会。
本节教学的不足之处:
1、学生的分析、调查还停留在理论上,缺少实践的过程。
2、学生参与的范围还比较窄,没有把全部学生都调动起来。
3、学生的汇报还存有背诵的痕迹,发挥得不够自如。
4、教学的整个模式在某环节上还需要调整和完善。
即使存在很多不足,我们认为这节课还是很成功的一节课,也是课堂改革的一种趋势和方向。我们相信通过今后的教学实践会更加完美。

更新:2008/7/30 15:57:14 编辑:fengyefy
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