工業(yè)合成氨教學(xué)設(shè)計(jì)【教材分析】在高中化學(xué)教材中，合成氨的相關(guān)知識(shí)出現(xiàn)了三次：①必修第二冊(cè)第五章第二節(jié)“氮及其化合物”中介紹人工固氮，呈現(xiàn)氮?dú)夂蜌錃夂铣砂钡幕瘜W(xué)方程式，并強(qiáng)調(diào)了該反應(yīng)的重要性；②必修第二冊(cè)第六章第二節(jié)“化學(xué)反應(yīng)的速率與限度”中用合成氨的化學(xué)方程式作例講解可逆反應(yīng)的概念和特征及反應(yīng)條件的控制；③選擇性必修一第二章第四節(jié)“化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”。合成氨是化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論和化學(xué)平衡理論綜合應(yīng)用的一個(gè)范例，更具有極大的生產(chǎn)價(jià)值，因?yàn)橛辛斯I(yè)合成氨，才從根本上解決了人類生存的基本問(wèn)題之一——“吃得飽”?！盎瘜W(xué)反應(yīng)條件的調(diào)控”在高中化學(xué)《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章第四節(jié)，教材從反應(yīng)限度、速率角度結(jié)合設(shè)備及實(shí)際情況分析出合成氨的最優(yōu)條件。這雖然能體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)原理中理論對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用，但學(xué)生感受不到合成氨從發(fā)現(xiàn)到工業(yè)化過(guò)程中科學(xué)家們百折不撓、勇于探索的精神。合成氨的研究先后持續(xù)了一個(gè)世紀(jì)，由宏觀到微觀，從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化，科學(xué)家攻堅(jiān)克難、高度創(chuàng)新，在這個(gè)發(fā)展歷程中蘊(yùn)含了豐富的教育價(jià)值。本節(jié)課將知識(shí)發(fā)展和情感聯(lián)系建立起來(lái)，分兩條主線進(jìn)行教學(xué)，一方面探究合成氨的最佳條件，另一方面讓學(xué)生通過(guò)史學(xué)材料，感悟科學(xué)精神，落實(shí)并發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)?！菊n時(shí)安排及設(shè)計(jì)思路】情境線問(wèn)題線知識(shí)線能力線課時(shí)1合成氨適宜條件的選擇與優(yōu)化如何調(diào)控反應(yīng)條件使它滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求呢?化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡對(duì)合成氨的綜合調(diào)控形成選擇適宜生產(chǎn)條件的基本思維模型【教學(xué)目標(biāo)】（1）通過(guò)工業(yè)合成氨適宜條件的選擇與優(yōu)化，認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要作用。（2）在合成氨適宜條件的討論中，將科學(xué)理論與工程技術(shù)相結(jié)合，形成速率限度技術(shù)效益等多角度考慮工業(yè)問(wèn)題的思維，體會(huì)化學(xué)反應(yīng)原理的應(yīng)用價(jià)值。（3）提供合成氨塔內(nèi)各組分濃度的真實(shí)物料數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)聯(lián)相關(guān)知識(shí)、分析和計(jì)算數(shù)據(jù)，有效打破思維定勢(shì)，建立“開(kāi)放體系”的思考模型，為合成氨工業(yè)條件的選擇提供思考的起點(diǎn)。（4）通過(guò)化學(xué)史材料，感悟科學(xué)精神，落實(shí)并發(fā)展科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)?！窘虒W(xué)重難點(diǎn)】重點(diǎn)：從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個(gè)角度綜合調(diào)控合成氨反應(yīng)。難點(diǎn)：形成多角度調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的思維模型?！窘虒W(xué)流程】【教學(xué)過(guò)程】環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，引入課題——構(gòu)建化工生產(chǎn)主反應(yīng)選擇思路[引入]隨著人口的增長(zhǎng)，人們對(duì)糧食的需求量越來(lái)越大，近期俄羅斯、印度還有其他多個(gè)國(guó)家停止的糧食出口，其他國(guó)家已經(jīng)逐步出現(xiàn)了糧食危機(jī)，我們國(guó)家從建國(guó)初期的吃不飽到現(xiàn)在的小康，糧食增產(chǎn)是非常重要的一步。[提問(wèn)]如何讓糧食增產(chǎn)？[回答]改良作物品種（袁隆平），雜交水稻、施肥[追問(wèn)]氮肥是一種重要的化肥，科學(xué)家克魯克斯創(chuàng)造性地提出“向空氣要氮肥”的號(hào)召。為什么要“向空氣要氮肥”？[回答]思考、回顧?？諝庵械扛撸瑏?lái)源廣，價(jià)格低。[提問(wèn)]回顧學(xué)過(guò)的固氮反應(yīng)，哪個(gè)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)?結(jié)合數(shù)據(jù)表并從原料來(lái)源、反應(yīng)限度、自發(fā)進(jìn)行的條件和產(chǎn)物性質(zhì)等方面分析并說(shuō)明原因。設(shè)計(jì)意圖:追溯“合成氨工業(yè)”產(chǎn)生的歷史背景，使學(xué)生切實(shí)感受到科學(xué)家們面對(duì)社會(huì)需求時(shí)所展現(xiàn)的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感，充分體現(xiàn)化學(xué)對(duì)人類社會(huì)進(jìn)程的重要推動(dòng)作用。引導(dǎo)學(xué)生從解決糧食問(wèn)題——制造肥料出發(fā)，按照“需要合成什么→需要用什么原料→選擇什么反應(yīng)→該反應(yīng)熱力學(xué)是否可行→是否能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)”的思路展開(kāi)思考，初步構(gòu)建化工生產(chǎn)中主反應(yīng)選擇的思路。環(huán)節(jié)二：新舊碰撞，宏微分析——選擇合成氨反應(yīng)條件[講授]合成氨反應(yīng)被譽(yù)為“20世紀(jì)科學(xué)領(lǐng)域最輝煌的成就之一”，它成功解決了糧食問(wèn)題。中科院資深院士徐光憲是這樣評(píng)價(jià)的“假入沒(méi)有發(fā)明合成氨，以及第一、第二、第三代新農(nóng)藥的技術(shù)，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，60億人口中的30億會(huì)被餓死?！比绾握{(diào)控反應(yīng)條件使它滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求呢?[提問(wèn)]影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些?[回答]壓強(qiáng)、濃度、溫度、催化劑。[追問(wèn)]如何從溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑角度提高合成氨的反應(yīng)速率和限度?[回答]分別從化學(xué)反應(yīng)速率角度及化學(xué)平衡角度討論。[提問(wèn)]1MPa=1×106Pa，30MPa相當(dāng)于約300kg的重量作用于1cm2的面積上所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。工業(yè)上選擇壓強(qiáng)條件時(shí)，壓強(qiáng)越大越好嗎？[回答]考慮設(shè)備的承受能力和成本問(wèn)題，不能選擇過(guò)高的壓強(qiáng)。[講授]實(shí)際工業(yè)考慮到設(shè)備耐壓力以及成本問(wèn)題，選擇了10～30MPa的壓強(qiáng)。[提問(wèn)]在30MPa壓強(qiáng)下，選擇什么溫度作為工業(yè)生產(chǎn)條件?如何面對(duì)從理論上分析溫度對(duì)于限度和速率的影響相互矛盾的問(wèn)題?[討論]溫度的選擇需要考慮1.降低溫度有利于平衡正向移動(dòng)。2.溫度越低，反應(yīng)速率越小。3.催化劑要在一定溫度下催化活性最大。[講授]速率和限度是工業(yè)生產(chǎn)需要考慮的兩大核心因素，我們需要統(tǒng)籌兼顧，當(dāng)二者發(fā)生矛盾時(shí)，優(yōu)先調(diào)控反應(yīng)速率，并遵循催化劑活性最大化的原則。[提問(wèn)]催化劑對(duì)于加快反應(yīng)速率的作用是最顯著的，探索合成氨工業(yè)催化劑選擇之路不是一帆風(fēng)順的，化學(xué)家們嘗試了多種催化劑，分析圖表，選擇那種催化劑效果最好？[回答]鐵觸媒，450500℃活性最大。[提問(wèn)]催化劑能加快化學(xué)反應(yīng)速率的本質(zhì)原因是什么?請(qǐng)?jiān)谀芰俊磻?yīng)歷程圖中畫(huà)出催化劑參與下合成氨反應(yīng)過(guò)程中的能量變化。[作圖][提問(wèn)]加入催化劑之后能量圖出現(xiàn)兩個(gè)峰代表什么含義？[回答]代表催化劑會(huì)參與反應(yīng)從而降低活化能。[提問(wèn)]這是合成氨在鐵觸媒催化作用下，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬生成的能量—反應(yīng)歷程圖。出現(xiàn)多組峰代表什么含義?[回答]代表加入鐵觸媒后，產(chǎn)生了幾個(gè)小峰，說(shuō)明發(fā)生了幾個(gè)反應(yīng)。[講授]確實(shí)這樣，N2和H2分子在催化劑表面經(jīng)過(guò)若干簡(jiǎn)單反應(yīng)步驟，才轉(zhuǎn)化為NH3分子。每一個(gè)簡(jiǎn)單的反應(yīng)步驟，就是一個(gè)基元反應(yīng)。[提問(wèn)]想知道N2和H2在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)NH3的過(guò)程嗎?請(qǐng)結(jié)合合成氨在催化劑參與下反應(yīng)機(jī)理示意圖，用自己的語(yǔ)言描述這個(gè)過(guò)程。[講授]正如同學(xué)們描述的，合成氨的催化歷程一般分為五個(gè)主要步驟:擴(kuò)散→吸附→表面反應(yīng)→脫附→擴(kuò)散。我們將這一系列基元反應(yīng)中，反應(yīng)速率最慢的一步稱為“決速步驟”，它決定了總反應(yīng)的反應(yīng)速率。[提問(wèn)]根據(jù)合成氨在鐵催化下的能量反應(yīng)歷程圖，判斷這些基元反應(yīng)中，哪個(gè)步驟是決速步驟?說(shuō)出你的判斷依據(jù)。[回答]12N2(ad)+32H[提問(wèn)]結(jié)合以上分析結(jié)果思考:如何調(diào)控反應(yīng)條件，加快“決速步驟”的反應(yīng)速率，從而提高催化效率呢?[回答]2的濃度(分壓)，從而增加N23，為N2和H2騰出更多可供吸附的催化劑表面空間。[提問(wèn)]圖片為某壓強(qiáng)、溫度不同N2和H2的體積比與平衡時(shí)氨含量關(guān)系，結(jié)合圖片分析合適的投料比應(yīng)該是多少？[回答]n(N2)∶n(H2)=1∶3[提問(wèn)]實(shí)際工業(yè)選擇投料比為n(N2)∶n(H2)=1∶2.8，請(qǐng)分析原因。[回答]適當(dāng)提高氮?dú)獾谋壤岣邭錃廪D(zhuǎn)化率，并提高決速步驟的速率。[小結(jié)]工業(yè)合成氨的適宜條件如表設(shè)計(jì)意圖:理論運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差，從而引出關(guān)鍵問(wèn)題:化工生產(chǎn)中追求的主要目的是什么?由淺入深、由單一到綜合地討論合成氨反應(yīng)條件的選擇與優(yōu)化。利用驅(qū)動(dòng)問(wèn)題并輔以反應(yīng)機(jī)理示意圖，啟發(fā)學(xué)生經(jīng)歷“認(rèn)識(shí)反應(yīng)歷程→找到?jīng)Q速步驟→調(diào)控決速步驟→實(shí)現(xiàn)深度調(diào)控”的過(guò)程，探索反應(yīng)的微觀歷程。補(bǔ)充的信息，既拓展了教材知識(shí)的深度，也提升了學(xué)生的信息素養(yǎng)，為調(diào)控反應(yīng)留下了思考的空間和發(fā)揮的余地。環(huán)節(jié)三：數(shù)形結(jié)合，突破難點(diǎn)———構(gòu)建動(dòng)態(tài)開(kāi)放體系的認(rèn)識(shí)模型[引入]不妨走進(jìn)真實(shí)的合成氨工廠看一看。PPT中展示的是某日產(chǎn)600t氨氣的合成氨工廠的數(shù)據(jù)，請(qǐng)關(guān)注合成氨塔氣體進(jìn)口和氣體出口各組分的氣體體積分?jǐn)?shù)。[提問(wèn)]合成氨反應(yīng)達(dá)平衡了嗎?判斷依據(jù)是什么?[回答]Qc＜Kc，反應(yīng)沒(méi)有達(dá)到平衡。[提問(wèn)]請(qǐng)作圖表示從投料到平衡，總反應(yīng)的速率—時(shí)間變化曲線，根據(jù)圖像和數(shù)據(jù)解釋為什么合成氨塔中不等反應(yīng)達(dá)到平衡?[回答]隨著反應(yīng)的進(jìn)行，總反應(yīng)速率不斷減小最后趨近0，速率過(guò)低不利于工業(yè)生產(chǎn)。[追問(wèn)]畫(huà)出其他條件均相同、合成氨塔中從進(jìn)料到出塔單個(gè)回合的速率—時(shí)間曲線，并分別說(shuō)明兩條曲線與坐標(biāo)軸形成的面積所代表的物理意義。[回答]深色圖形面積代表合成氨塔中從進(jìn)料到出塔單次合成氨氣的濃度，淺色圖形面積代表相同條件下合成氨反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)氨氣的濃度。[講授]雖然一個(gè)回合的氨氣產(chǎn)量比不上平衡產(chǎn)量，但可以再來(lái)一個(gè)回合，再來(lái)一個(gè)回合，如此不斷重復(fù)…[追問(wèn)]工業(yè)上不等到反應(yīng)達(dá)平衡，而采用不斷投料的方式進(jìn)行生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)是什么?[回答]優(yōu)勢(shì)在于讓反應(yīng)持續(xù)在反應(yīng)物濃度比較大、速率比較高的狀態(tài)下發(fā)生，增大產(chǎn)物在時(shí)間上進(jìn)行疊加之后的總量。工業(yè)生產(chǎn)追求的目標(biāo)：?jiǎn)挝粫r(shí)間產(chǎn)率最大化環(huán)節(jié)四：貫穿史實(shí)，總結(jié)提煉———構(gòu)建調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的思維模型[小結(jié)]結(jié)合所學(xué)內(nèi)容，從合成氨工業(yè)發(fā)展史中，與學(xué)生共同提煉出工業(yè)條件優(yōu)化的一般思維模型。設(shè)計(jì)意圖:在課堂結(jié)尾系統(tǒng)地呈現(xiàn)人類探索合成氨反應(yīng)工業(yè)條件的優(yōu)化過(guò)程，將科學(xué)知識(shí)、技術(shù)發(fā)明、社會(huì)發(fā)展相聯(lián)系，系統(tǒng)梳理了合成氨反應(yīng)條件選擇和優(yōu)化的發(fā)展脈絡(luò)，將合成氨工業(yè)條件的選擇優(yōu)化的認(rèn)識(shí)思路、認(rèn)識(shí)角度結(jié)構(gòu)化和外顯化，有助于學(xué)生形成比較穩(wěn)定的思維模型。在歷史事件的發(fā)展進(jìn)程中，學(xué)生充分感知前人在探索和改造自然過(guò)程中展現(xiàn)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與高度的社會(huì)責(zé)任感，理解和體驗(yàn)合成氨工業(yè)對(duì)人類文明進(jìn)程巨大的推動(dòng)作用?！景鍟?shū)設(shè)計(jì)】【課后反思】1.以老師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體本課主要以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)為引領(lǐng)，依據(jù)學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)設(shè)置核心問(wèn)題，構(gòu)建思維模型。尊重學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，設(shè)置每一環(huán)節(jié)的核心問(wèn)題。尤其在多因素影響下反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)的影響產(chǎn)