师：同学你好，欢迎来到高二化学课堂。我们今天继续学习选修四第二章第三节化学平衡第五课时——化学平衡综合应用二。这节课我们以工业合成氨和典型试题为例，来学习化学平衡综合应用。首先，我们一起来看教学要求。
今天这节课有三个重点问题：第一，以工业合成氨为例，从限度、速率、反应条件等方面进行综合分析，感受化学平衡的应用；第二，了解催化剂对反应历程的影响；第三，针对典型试题，从限度、速率等角度，综合分析其对工业生产的影响。
那么，对于化学平衡过程中的应用——工业合成氨，它的条件选择是怎样一个过程呢？我们先通过一段视频材料——工业合成氨发展史简介，来了解一下。
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合成氨的化学原理，用一个简单的化学方程式就能表示出来。但就是这样一个看似简单的方程式，从实验室研究到最终实现工业生产，却历经了将近150年的艰难探索。德国的三位化学家，因在这个领域的突出贡献，先后三次获得诺贝尔化学奖。其中一位就是大家熟知的化学家哈伯，尽管他是化学毒气战的始作俑者，受到世界正义之士的谴责，但瑞典皇家学院还是把诺贝尔奖授予了他，因为他的研究让“用空气制造面包”成为可能，可见其研究意义重大。先后发现9种超铀元素的美国化学家、1951年诺贝尔化学奖获得者西博格，对合成氨工业也赞赏有加，将其看作20世纪科学领域中最辉煌的成就之一。
同学们，为什么合成氨工业能受到世界科学领域最高奖项的三次垂青，获得科学家们的广泛赞誉呢？从视频材料中我们能发现，工业合成氨工艺的发明，让“空气成为面包”变成现实，解决了人类生存危机，还成就了三位德国化学家获得诺贝尔奖。那么，为什么化学工业合成氨过程中的工艺，能获得化学家们极大的关注呢？工业合成氨条件的选择依据又是什么呢？下面我们一起来学习工业合成氨条件的选择。
大家看这张工业合成氨流程示意图，图中有三个条件值得我们关注：加压、铁触媒（500摄氏度）、冷却。这三个条件的选择依据是什么呢？在工业生产过程中，条件选择一般依据两个方面：一是产率，即产品产率要高，也就是生产得多；二是生产周期要短，即生产得快，这涉及到化学反应速率。综合这两个因素，我们来选择合适的条件。下面，请大家跟随我一起分析工业合成氨的原理，看看应该选择哪些条件。
工业合成氨的反应是：1摩尔氮气和3摩尔氢气反应生成2摩尔氨气，该反应为放热反应，且属于可逆反应。既然是可逆反应，就遵循化学平衡特征。根据这个反应的特征，我们该如何选择合适的条件呢？比如，正反应为放热反应，根据化学平衡移动条件，要促进正向移动，是高温好还是低温好呢？显然低温有利。正反应是气体体积减小的反应，那么应该选择高压还是低压呢？选择高压有利。结合反应原理，再回忆一下前面讲的速率的影响因素，请大家预测工业合成氨条件选择的要素，从限度和速率角度进行讨论。
这里涉及的因素有：压强、温度、催化剂、反应物浓度、生成物浓度。首先看压强，根据刚才的分析，应该选择高压，从反应速率来讲，高压也有利于加快反应速率。从温度角度看，从限度角度预测应该是低温，但从速率角度则应该是高温。对于催化剂，我们知道它对平衡没有影响，即对限度无影响，但能加快反应速率。反应物浓度越大，越有利于平衡正向移动，速率也会越快，所以从速率方面考虑，同样是增大反应物浓度。对于生成物浓度，一般减小生成物浓度有利于平衡移动，速率方面我们暂不讨论。
综合上述因素，我们发现压强的选择在限度和速率方面是一致的，但温度的选择出现了矛盾。那么该如何解决呢？这里有三个问题：第一，压力是否越大越好？第二，温度如何选择？第三，反应物浓度如何选择？带着这三个问题，我们来看下面的讨论。
先看压强是否越大越好。这里有一份从文献中获得的数据，不同条件下平衡混合气中氨的体积分数。这张表以压强和温度对氨含量的影响呈现，横向是压强，纵列是温度变化。大家观察表格，寻找规律。从压强角度分析，从1×10?标准大气压增大到1×10?，我们发现氨的体积分数明显增大，说明加压有利。但继续增大压强，从1×10? 帕到2×10? 帕，再到1×10? 帕，氨气体积分数的变化值变得缓慢了。这说明压强越大越有利于氨的转化，但压力增大到一定程度后，对氨转化的贡献就有限了。
再看温度。以表格中的某一列为例，我们发现温度变化确实如我们预测，温度越高，氨气的含量越低。但我们是否选择温度越低越好呢？合成氨条件中给定的是500摄氏度，为什么选择这个温度呢？这是因为合成氨使用的催化剂——铁触媒，在500摄氏度时催化效率最高。就像生物学上讲的催化剂要有一定的温度范围，虽然温度越低越有利于氨的生成，但温度太低，反应速率太慢，会影响经济效益。所以，工业合成氨选择500摄氏度作为反应温度，主要依据是催化剂的活性。
关于投料比，这里有一份实证材料，相同条件下反应不同比例时氨的体积分数。从图像中我们发现，在约1:3的时候确实达到了最佳比，但事实上工业生产中选择1:2.8效果最好，这个数据来自工业生产的实际情况。
综合上述实证材料分析，合成氨条件具有以下特征：首先考虑催化剂，选择铁触媒；温度选择由催化剂的活性决定，所以选500摄氏度左右；压强方面，虽然增大压力有利于氨的合成，但压力越大，容器成本越高，而且压力增加到后期对氨合成的影响变缓，所以选择适宜的压力，一般是2×10? 到5×10? 帕；根据浓度关系，1:2.8效果最好。
根据上述分析，工业合成氨从两个角度思考：一是生产的转化率，也就是产率；二是生产的周期，也就是速率。完成这些分析后，下面请大家分析一下，在工业生产硫酸的时候，二氧化硫转化成三氧化硫这个步骤中，选择常压、450摄氏度且使用五氧化二钒做催化剂，依据所学化学知识解释其条件选择的理由。大家思考一下该如何解释。