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北京四中:化学平衡教学设计
作者:贺新 来源:xsk 点击:61082次 评论:0
 
 

教学目标:

 

  知识与技能目标:

 

  1.初步掌握化学平衡的概念。

 

  2.初步掌握浓度、温度、压强等外界条件对化学平衡的影响,理解勒夏特列原理的含义。

 

  3.学会合成氨的适宜生产条件的选择。

 

  过程与方法目标:

 

  1.通过对工业生产数据的观察,使学生掌握数据处理和分析的方法;让学生体验由数据分析提出假想、设计实验、验证假想的探究过程。

 

  2.在理解化学平衡状态时,培养学生深入思考问题的能力。

 

  3.在解释平衡移动的原因时,培养学生多角度分析和思考问题的能力,培养学生的辩证观点。

 

  情感、态度和价值观目标:

 

  1.使学生意识到研究化学平衡的意义:不在于消极地等待平衡的出现,而在于积极地改变它,使它向着对人类有益的方向移动。

 

  2.通过合成氨的化学史,让学生感受科学家研究问题的严谨态度和不懈精神,以及合成氨的重大意义,从而感染学生。

 

  教学过程:

 

教师活动

 

学生活动

 

教学意图

 


[课题引入]
1.1898年,英国物理学家克鲁克斯的警告:“人口增加,土地变得狭窄,长此下去,粮食不足的时代就会到来,解决的办法是必须找到新的氮肥。”

 

2.合成氨的历史(见末页)。
3.观看沧州合成氨厂的幻灯片

 


听、看、思考:以什么物质为原料、用什么样的方法合成氨?

 


通过“警告”,使学生意识到合成氨的重要性。由远及近,让学生关注生活。让学生感受科学家研究问题的严谨态度和不懈精神,以及合成氨的重大意义,从而激发学生的学习欲望。

 

  

 

   沧州化肥厂全貌                  合成氨厂一角              流程图

 

[提出问题]
由数据1,你发现了什么现象?怎样来解释?

 

学生分组讨论:数据分析的方法;数据能够说明的问题。

 

由数据1引出化学平衡的概念。锻炼学生对简单数据的分析能力和小组合作精神。

 

数据1:封闭体系中,恒温时,充入氮气和氢气(1:3)的反应情况:

 

时间(分钟)

 

N2的浓度(mol/L)

 

H2的浓度(mol/L)

 

NH3的浓度(mol/L)

 

起始

 

15.0

 

45.0

 

0

 

5

 

11.8

 

35.4

 

6.4

 

10

 

8.8

 

26.4

 

12.4

 

15

 

7.7

 

23.1

 

14.6

 

20

 

7.5

 

22.5

 

15.0

 

25

 

7.7

 

23.0

 

14.7

 

30

 

7.6

 

22.8

 

14.8

 

 

[师生交流]得出化学平衡状态的概念及解释。

 

化学平衡状态的特征:

 

逆—可逆反应

 

等—正、逆反应速率相等

 

定—反应混合物中各组分的浓度保持不变

 

动—化学平衡是动态平衡,即

 

     v正 = v逆 ≠ 0

 

回答:在一定条件下的可逆反应,正反应速率和逆反应速率相等,反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。

 

培养学生的语言表达能力。

 

[提出新问题]
数据2数据3,你能发现什么规律?

 

学生分组讨论。

 

锻炼学生分析混乱数据的能力和设计实验的能力。培养学生的小组协作精神。

 

数据2:密闭容器中,充入一定量氮气和氢气(1:3):

 

压强(atm)

 

温度(℃)

 

平衡时氨气的百分含量(%)

 

200

 

450

 

27.4

 

400

 

450

 

42.9

 

200

 

600

 

8.8

 

300

 

400

 

47.8

 

500

 

500

 

37.8

 

300

 

500

 

26.1

 

200

 

500

 

18.9

 

400

 

400

 

54.9

 

300

 

450

 

35.9

 

400

 

500

 

32.2

 

500

 

400

 

60.6

 

300

 

600

 

12.9

 

500

 

450

 

48.8

 

400

 

600

 

16.9

 

500

 

600

 

20.8

 

200

 

400

 

38.7

 

 

数据3:密闭容器中,充入一定量氮气和氢气,恒温时的反应情况:

 

实验编号

 

起始浓度(mol/L)

 

平衡浓度(mol/L)

 

氮气

 

氢气

 

氨气

 

氮气

 

氢气

 

氨气

 

1

 

1.9

 

2.9

 

0

 

1.6

 

1.8

 

0.75

 

2

 

2.1

 

4.3

 

0

 

1.4

 

2.3

 

1.3

 

3

 

1.2

 

2.5

 

0

 

0.98

 

1.8

 

0.44

 

4

 

1.5

 

2.8

 

0

 

1.2

 

1.9

 

0.59

 

               

 

[师生交流]
利用计算机将混乱数据排序

 

回答:同温时,压强越大,平衡时氨的百分含量越高;同压时,温度越高,平衡时氨的百分含量越低;增大反应物的浓度,平衡时氨的百分含量增多。得出规律:同温时,加压,平衡向着气体体积减少的方向移动;同压时,升温,平衡向着吸热方向移动;其他条件不变时,增大反应物的浓度,平衡向着生成物方向移动。

 

展现学生思维;让学生明确分析混乱数据的方法,达到思维共享,在展现学生思维过程中不断发展学生思维;让学生掌握设计实验方案和优化实验的方法。

 

Total pressure(atm)

 

Temperature(℃)

 

Percent  NH3   at  equilibrium

 

200

 

400

 

38.7

 

300

 

400

 

47.8

 

400

 

400

 

54.9

 

500

 

400

 

60.6

 

 

[提出问题]
怎样设计实验来证明呢?

 

学生分组讨论。

 

培养学生设计实验方案的能力。渗透实验研究的方法。

 

[实验]
教师演示改变压强的实验

 

学生分组实验。

 

锻炼学生的动手能力、观察分析能力。

 

[师生交流]
分析实验现象,得出结论,即勒沙特列原理

 

学生回答:同温同压时,增大反应物的浓度,平衡向着正反应方向移动;同温时,加压,平衡向着气体体积减少的方向移动;同压时,升温,平衡向着吸热方向移动。发现:改变一个条件,平衡总是向着减小这种改变的方向移动。

 

展现学生的思维,培养学生归纳综合问题的能力以及语言表达能力。

 

[提出新问题]
为什么改变一个条件,平衡总是向着减小这种改变的方向移动呢?

 

学生分组讨论:改变一个条件,平衡移动的原因。

 

培养学生深入思考的习惯;培养学生的小组协作精神,最终达到思维共享。

 

[师生交流]
移动的原因:
逆反应速率不等

 

学生回答:平衡移动了,说明正反应速率不等于逆反应速率了,即改变条件对正逆反应速率的影响程度是不一样的。
如果向结论的反方向移动,会压强越来越大,或者温度(浓度)越来越高,不符合能量最低原理。

 

培养学生发散思维和互相评价的能力;培养学生的辨证思维。

 

[提出新问题并交流]
我们研究平衡的意义:不在于等待平衡的出现,而在于改变平衡向着有利于我们的方向进行。那么,工业合成氨应采用什么条件好

 

学生分组讨论,得出结论:高压低温,高反应物浓度,实际上要考虑到反应速率适当,催化剂活性较好,所以采取了200~500个大气压,500℃。

 

首尾呼应,理论指导实践解决了实际问题。

 

[小结]
整节课小结。

 

学生小结。

 

培养学生及时总结的好习惯。

 

 

 

 

合成氨的历史

 

利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题,从第一次实验室研制到工业化投产,约经历了150年的时间。1795年有人试图在常压下进行氨合成,后来又有人在50个大气压下试验,结果都失败了。19世纪下半叶,物理化学的巨大进展,使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的,增加压力将使反应推向生成氨的方向;提高温度会将反应移向相反的方向,然而温度过低又使反应速度过小;催化剂对反应将产生重要影响。当时物理化学的权威、德国的能斯特就明确指出:氮和氢在高压条件下是能够合成氨的,并提供了一些实验数据。法国化学家勒夏特列第一个试图进行高压合成氨的实验,但是由于氮氢混和气中混进了氧气,引起了爆炸,使他放弃了这一危险的实验。

 

氮气和氢气的混和气体可以在高温高压及催化剂的作用下合成氨。但什么样的高温和高压条件为最佳?用什么样的催化剂为最好?在物理化学研究领域有很好基础的哈伯决心攻克这一令人生畏的难题。哈伯首先进行一系列实验,他并不盲从权威,而是依靠实验来探索,终于证实了能斯特的计算是错误的。哈伯以锲而不舍的精神,经过不断的实验和计算,终于在1909年取得了鼓舞人心的成果,这就是在600℃的高温、200个大气压和锇为催化剂的条件下,能得到产率约为8%的合成氨。8%的转化率当然会影响生产的经济效益,怎么办?哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工,并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来,这个工艺过程是可行的。于是他成功地设计了原料气的循环工艺。根据哈伯的工艺流程,德国当时最大的化工企业——巴登苯胺和纯碱制造公司,组织了以化工专家波施为首的工程技术人员将哈伯的设计付诸实施。工程师们改进了哈伯所使用的催化剂,两年间,他们进行了多达6500次试验,测试了2500种不同的配方,最后选定了含铅镁促进剂的铁催化剂。开发适用的高压设备也是工艺的关键,当时能受得住200个大气压的低碳钢,却害怕氢气的脱碳腐蚀。波施想了许多办法,最后决定在低碳钢的反应管子里加一层熟铁的衬里,熟铁虽没有强度,却不怕氢气的腐蚀,这样总算解决了难题。

 

哈伯的合成氨设想终于在1913年得以实现,一个日产30吨的合成氨工厂建成并投产。合成氨生产方法的创立不仅开辟了获取固定氮的途径,更重要的是这一生产工艺的实现对整个化学工艺的发展产生了重大的影响。鉴于合成氨工业生产的实现和它的研究对化学理论发展的推动,1918年诺贝尔化学奖授予了德国化学家哈伯。

 

更新:2006/10/8 8:56:58 编辑:fengyefy
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