师：同学们好，我们这节课的学习目标是能综合运用化学反应速率和化学平衡原理，分析工业合成氨生产的适宜条件，体会应用化学原理选择化工生产条件的思路与方法。自1784年发现氨气后，人们一直研究如何通过化学方法由氮气和氢气合成氨气，却始终未能成功。直到哈勃的出现，工业合成氨的成功让成千上万的人摆脱了饥饿困扰。因为合成氨主要用于生产氮肥，而氮肥是粮食增产的重要支撑，使人类从此不再依赖天然氮肥。为此，有人称赞哈勃是“用空气制造面包的圣人”，他也因此获得1918年诺贝尔化学奖。
师：现在思考一个问题，如果要生产氮肥，空气中有氮气和氧气，氢气需人工制备。同样是获取含氮化合物，为什么选择氮气和氢气合成氨呢？来看一组数据，请同学们从数据中分析原因。一般来说，若一个反应的平衡常数大于1×10?，通常认为这个反应进行得很完全；若平衡常数小于1×10??，则认为该反应很难进行。氮气和氢气在25℃时的平衡常数为4.1×10?，数值较大，可认为反应进行得较完全。而氮气和氧气在25℃时平衡常数为3.8×10?31，认为很难进行，即便温度升高到2000℃，该反应平衡常数的数值依然很小。
师：科学家研究化学反应时，会先用一种客观判据判断反应能否自发进行。在温度、压强一定的条件下，化学反应的方向受反应的焓变和熵变共同影响。反应方向的判据为：焓变 - 温度×熵变。当焓变 - 温度×熵变＜0，反应能自发进行；当焓变 - 温度×熵变＞0，反应不能自发进行。
师：来看课本65页“交流研讨”。已知298K时合成氨反应的焓变和熵变数值，请同学们根据正反应的焓变和熵变，分析298K下合成氨反应能否自发进行。假设焓变和熵变不随温度变化，计算时要注意将焓变单位换算为千焦每摩尔，熵变单位为焦耳每开每摩尔。代入数据可算出焓变 - 温度×熵变＜0，由此可知298K下合成氨反应能自发进行。
师：合成氨反应有哪些特点呢？这是合成氨反应的热化学方程式。它是一个可逆反应，正反应是气体物质的量减小的反应，所以也是熵减小的反应。因为正反应的焓变＜0，所以正反应是放热反应。根据以上合成氨反应的特点，利用化学平衡移动的知识分析，什么条件下有利于氨的合成？请同学们分析以下图像，如果要提高平衡混合物中氨气的含量，可以采取哪些措施？左边的图是课本66页图2 - 4 - 3。分析图像时，采用定一议二法，保持压强不变，如在P?压强下，随着温度升高，氨气的物质的量分数逐渐降低，可得出结论：当其他条件相同时，温度越高，氨的含量越低。保持温度不变，如在400℃时，压强从P?到P?逐渐增大，氨气的物质的量分数逐渐增大，可得出结论：当其他条件相同时，压强越大，氨的含量越高。总的结论是：当其他条件相同时，温度越低、压强越大，平衡混合物中氨的含量越高。
师：第二幅图是一定条件下，平衡混合物中氨的含量与氮气和氢气投料比的关系，很容易看出，氮气和氢气投料比为1 : 3时，氨的含量最高。小结一下，降低温度、增大压强，有利于平衡向产生氨的方向移动；氮气、氢气投料比为1 : 3时，平衡混合物中氨的含量最高。请同学们回想一下，影响化学反应速率的因素有哪些？
生：温度、压强、浓度、催化剂等等。
师：它们是怎么影响反应速率的呢？
生：温度越高，反应速率越快；对于有气体参与的反应，压强越大，反应速率越快；反应物的浓度越大，反应速率越快；使用催化剂会使反应速率加快。
师：你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？
生：可以升高温度、增大反应物的浓度、使用催化剂等来提高合成氨反应的速率。
师：对于化学反应，温度升高反应速率加快，升高温度可以提高合成氨反应的速率。请同学们根据合成氨反应的速率与参与反应物质的浓度的关系式，分析各物质的浓度对反应速率有哪些影响，可以采取哪些措施来提高反应速率？
生：合成氨反应的速率与氮气浓度的一次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的一次方成反比。在反应过程中，氨气浓度不断增大，氮气和氢气浓度不断降低，这样反应速率就会下降。
师：那有什么解决办法吗？
生：哈勃提出循环法制氨气，将氮气和氢气在高压下循环加工，并在循环系统中不断分离出氨来解决这个问题。通过增大压强的方式增大氮气和氢气的浓度，将氨及时从混合器中分离出去的措施来提高反应速率，而且将未反应完的氮气和氢气再循环进入反应器，这样可以提高氮气和氢气的利用率，还能节约成本，提高产率。
师：通过之前的学习，我们知道催化剂可以降低反应的活化能，提高反应速度。哈勃使用的催化剂价格昂贵且有毒。另一位科学家博施及其团队先后试验了2500种配方，进行了约6500次实验，最终确定了铁催化剂作为工业合成氨的催化剂。1931年，博施因改进合成氨的方法获得诺贝尔化学奖。请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响。
生：在未使用催化剂时，反应的活化能为335千焦每摩尔；使用铁催化剂后，反应的活化能减小为167千焦每摩尔。我们知道反应速率常数与反应速率成正比关系，使用铁催化剂的反应速率常数与未使用催化剂的反应速率常数的比值为3.4×1012，可见催化剂对反应速率的影响非常大。
师：提高合成氨反应的速率可以采取哪些措施？