《【化學(xué)：高中人教版全套教師用書WORD版】選修2 化學(xué)與技術(shù)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《【化學(xué)：高中人教版全套教師用書WORD版】選修2 化學(xué)與技術(shù)（86頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

（人教新課標(biāo)）教師教學(xué)用書 選修2 化學(xué)與技術(shù) 說明 本書是根據(jù)教育部制訂的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》和人民教育出版社、課程教材研究所化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心編著的《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書化學(xué)（選修2）化學(xué)與技術(shù)》的內(nèi)容和要求，結(jié)合高中化學(xué)教學(xué)實際編寫的，供使用《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書化學(xué)（選修2）化學(xué)與技術(shù)》的高中化學(xué)教師教學(xué)時參考。 從有利于教師理解和體會課程標(biāo)準(zhǔn)，以及更好地使用教科書出發(fā)，全書按教科書的單元、課題順序編排，每單元包括單元說明、教材分析與教學(xué)建議和教學(xué)資源三個部分。 單元說明是按單元編寫的，包括教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容分析和課時建議。教學(xué)目標(biāo)指出本單元在知識與技能、過程與方法和情感態(tài)度與價值觀等方面所要達到的教學(xué)目的；內(nèi)容分析從地位和功能、內(nèi)容的選擇與呈現(xiàn)、教學(xué)深廣度以及內(nèi)容結(jié)構(gòu)等方面對單元內(nèi)容做出分析；課時建議則是建議本單元的教學(xué)課時。 教材分析與教學(xué)建議是分課題編寫的，包括教材分析和建議、活動建議、問題交流等。教材分析和建議對各課題的內(nèi)容特點、知識結(jié)構(gòu)、重點和難點等作了較詳細的分析，并對教學(xué)設(shè)計思路、教學(xué)策略、教學(xué)方法等提出建議。活動建議是對“科學(xué)探究”“實驗”等學(xué)生活動提出具體的指導(dǎo)和建議。問題交流是對“學(xué)與問”“思考與交流”等教科書中欄目所涉及的有關(guān)問題給予解答或提示。 練習(xí)與實踐參考則是對單元后的練習(xí)與實踐給予解答或提示。 教學(xué)資源是按單元編寫的，主要編入一些與本單元內(nèi)容有關(guān)的教學(xué)資料、疑難問題解答，以及聯(lián)系實際、新的科技信息和化學(xué)史等內(nèi)容，以幫助教師更好地理解教科書，并在教學(xué)時參考。 參加本書編寫工作的有：王晶、吳海建等。 本書的審定者：李文鼎、王晶。 責(zé)任編輯：吳海建。 圖稿繪制：李宏慶。 本書的內(nèi)容難免有不妥之處，希望廣大教師和教學(xué)研究人員提出意見和建議，以便修訂改進。 人民教育出版社 課程教材研究所 化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心 2005年6月 目錄 第一單元走進化學(xué)工業(yè) 單元說明 教材分析與教學(xué)建議 課題1化工生產(chǎn)過程中的基本問題 課題2人工固氮技術(shù)——合成氨 課題3純堿的生產(chǎn) 練習(xí)與實踐參考 教學(xué)資源 第二單元化學(xué)與資源開發(fā)利用 單元說明 教材分析與教學(xué)建議 課題1獲取潔凈的水 課題2海水的綜合利用 課題3石油、煤和天然氣的綜合利用 練習(xí)與實踐參考 教學(xué)資源 第三單元化學(xué)與材料的發(fā)展 單元說明 教材分析與教學(xué)建議 課題1無機非金屬材料 課題2金屬材料 課題3高分子化合物與材料 練習(xí)與實踐參考 教學(xué)資源 第四單元化學(xué)與技術(shù)的發(fā)展 單元說明 教材分析與教學(xué)建議 課題1化肥和農(nóng)藥 課題2表面活性劑精細化學(xué)品 練習(xí)與實踐參考 教學(xué)資源 第一單元 走進化學(xué)工業(yè) 單元說明 一、教學(xué)目標(biāo) 1. 以硫酸生產(chǎn)為例，了解化工生產(chǎn)過程中的一些基本問題。 2. 了解合成氨的反應(yīng)原理、基本生產(chǎn)過程和合成氨工業(yè)發(fā)展中需要解決的問題。 3. 通過純堿的兩種典型生產(chǎn)過程及其演變的學(xué)習(xí)，了解化學(xué)工藝改進的原因、思路、條件以及由此帶來的社會和經(jīng)濟效益。 4. 初步了解實驗室研究與工業(yè)化生產(chǎn)的區(qū)別和聯(lián)系。初步認(rèn)識基本化工產(chǎn)品的種類、資源和發(fā)展概況等。 二、內(nèi)容分析 1. 地位和功能 硫酸（產(chǎn)品為液體）、純堿（產(chǎn)品為固體）和合成氨（產(chǎn)品為氣體）等屬于典型的基本化工產(chǎn)品，它們的生產(chǎn)是化學(xué)工業(yè)及其發(fā)展的基礎(chǔ)，而了解化工生產(chǎn)過程中的基本問題也是學(xué)習(xí)《化學(xué)與技術(shù)》選修課程的基礎(chǔ)。因此，通過對這些產(chǎn)品生產(chǎn)過程中一些基本問題的學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生將所學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)知識與實際生產(chǎn)建立有效的教學(xué)聯(lián)系，拉近實際生產(chǎn)過程與課堂教學(xué)之間的距離，有利于學(xué)生加深對化學(xué)、技術(shù)和社會相互關(guān)系的認(rèn)識。 2. 內(nèi)容的選擇與呈現(xiàn) 教科書體現(xiàn)以社會需求為導(dǎo)向、以化學(xué)研究基礎(chǔ)上的技術(shù)發(fā)展為重點的總體設(shè)計思想，以“人類需要的物質(zhì)產(chǎn)品——化學(xué)反應(yīng)原理——生產(chǎn)過程及其發(fā)展”為線索構(gòu)建單元體系。除了這一整體設(shè)計外，本單元也體現(xiàn)了課程標(biāo)準(zhǔn)中化學(xué)與技術(shù)選修課程的目標(biāo)、定位和要求?？傮w而言，教學(xué)內(nèi)容的選擇和呈現(xiàn)考慮了以下一些原則： （1）選取典型產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程作為內(nèi)容載體； （2）以必修模塊的化學(xué)知識為基礎(chǔ)，必要時為本模塊補充基礎(chǔ)知識； （3）以化學(xué)反應(yīng)原理及其應(yīng)用為重點，以生產(chǎn)基本問題（如原料及其綜合利用、能量的利用、反應(yīng)條件的控制、環(huán)境保護等）為線索展開內(nèi)容； （4）抓住有價值的問題，引導(dǎo)學(xué)生活動與探究，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和分析解決問題的能力； （5）以引導(dǎo)學(xué)生體會化學(xué)在生產(chǎn)技術(shù)中的價值為重點，而不過多地追究生產(chǎn)實際過程的技術(shù)細節(jié)； （6）學(xué)習(xí)順序注意遵循學(xué)生的接受能力。 在某種程度上，教科書也體現(xiàn)了科學(xué)與技術(shù)兩者之間的區(qū)別和聯(lián)系。科學(xué)與技術(shù)緊密相連、相互促進，而又有各自不同的特點。例如，與科學(xué)相比，技術(shù)更直接地面對人們的實際需要，一種產(chǎn)品首先用于滿足人們的需要，需要也是生產(chǎn)發(fā)展的動力和技術(shù)創(chuàng)新的源泉。為什么要生產(chǎn)這種產(chǎn)品？它可以用來做什么？技術(shù)改進的主要目的是什么？當(dāng)從這些問題展開時，有利于闡明生產(chǎn)和技術(shù)進步的意義，培養(yǎng)學(xué)生求知和創(chuàng)新的欲望以及注意技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險的社會責(zé)任感。由于人們的需要是多種多樣的，也是不斷發(fā)展和變化的，因此，可以憑此創(chuàng)設(shè)許多生動的教學(xué)情景。 再如，除了關(guān)于“是什么、為什么？”等問題解決過程外，在化學(xué)與技術(shù)課程中還強調(diào)關(guān)于“做什么、怎么做？”等問題解決過程，后一過程可能會涉及化學(xué)以外的物理、生物、地理等學(xué)科知識，體現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用的綜合性；還會涉及諸如環(huán)境保護、經(jīng)濟、風(fēng)險評估、利弊權(quán)衡等態(tài)度、價值和決策有關(guān)的問題，體現(xiàn)技術(shù)實踐的復(fù)雜性和產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的多元化。通過思考和解決這些問題，有利于學(xué)生對科學(xué)探究過程加深理解，也有利于比較全面地培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。 根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和上述總體考慮，本單元安排的主要內(nèi)容有： 以硫酸生產(chǎn)為例，說明化學(xué)生產(chǎn)過程包括的一些基本問題，如反應(yīng)原理、反應(yīng)發(fā)生的條件、原料的選擇、“三廢”的處理以及能量的利用等。使學(xué)生對化學(xué)生產(chǎn)過程有一個概括的、初步的認(rèn)識。 合成氨這種人工固氮技術(shù)，不僅為解決人類的吃飯問題作出了重要的貢獻，而且，它也是近代化學(xué)工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，在人類的科學(xué)技術(shù)史上具有重要的地位。學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容，還有利于幫助學(xué)生了解一個化學(xué)原理上可行的反應(yīng)，當(dāng)進入實際的工業(yè)化生產(chǎn)時，會遇到很多復(fù)雜的技術(shù)問題，實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)不是僅僅將實驗室試管、燒瓶中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)進行簡單放大的過程。 純堿的生產(chǎn)，可以幫助學(xué)生進一步理解一個化學(xué)工藝的發(fā)展和完善，可能需要幾代人長期的努力，從中體會化學(xué)工藝改進和發(fā)展的思路、角度，培養(yǎng)他們勇于創(chuàng)新的精神和實踐能力。 本單元內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下： 三、課時建議 課題1化工生產(chǎn)過程中的基本問題 2課時 課題2人工固氮技術(shù)——合成氨 2課時 課題3純堿的生產(chǎn) 1課時 復(fù)習(xí)機動1課時 小計6課時 課題1 化工生產(chǎn)過程中的基本問題 一、教材分析和建議 在化學(xué)工業(yè)中，需要化學(xué)與技術(shù)的有機結(jié)合，若要認(rèn)識和體會化學(xué)與技術(shù)的關(guān)系，就首先需要了解有關(guān)化工生產(chǎn)的基本問題。所以，作為本書最開始的課題，介紹化工生產(chǎn)過程中的一些基本問題，以利于學(xué)生在后面的學(xué)習(xí)中對化學(xué)與技術(shù)相關(guān)問題的理解。 化工生產(chǎn)過程比較復(fù)雜，但一些最基本的問題是相似的，例如，任何化工生產(chǎn)都涉及到傳質(zhì)（物料的流動）、傳熱（能量的傳導(dǎo)）、傳動（動力的傳輸）和化學(xué)反應(yīng)器等。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合高中學(xué)生的特點，將化學(xué)反應(yīng)原理、反應(yīng)發(fā)生的條件、原料的選擇、三廢的處理和能量的利用等作為化工生產(chǎn)過程中的基本問題，結(jié)合一些典型產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，使學(xué)生對化工生產(chǎn)的基本過程有一個初步的認(rèn)識。硫酸是學(xué)生在初中化學(xué)中就學(xué)過的物質(zhì)，對其性質(zhì)比較了解，硫酸工業(yè)又是典型的基本化學(xué)工業(yè)，所以本課題以硫酸工業(yè)為例，介紹化工生產(chǎn)基本問題：反應(yīng)原理的確定、原料的選擇、反應(yīng)條件的控制、能量的利用等。每一問題都結(jié)合硫酸的生產(chǎn)，將化學(xué)知識與生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝等結(jié)合，充分體現(xiàn)化學(xué)在生產(chǎn)中的作用。 關(guān)于反應(yīng)原理及生產(chǎn)過程的確定，教科書從硫酸的化學(xué)組成、性質(zhì)及具體的反應(yīng)進行分析，突出化學(xué)在物質(zhì)轉(zhuǎn)化和利用方面的重要性。生產(chǎn)中原料的選擇則從綜合方面考慮，以“思考與交流”的形式，讓學(xué)生思考討論，培養(yǎng)學(xué)生綜合思考認(rèn)識問題的能力。 在介紹生產(chǎn)中反應(yīng)條件的控制問題時，涉及到了化學(xué)平衡的知識，教科書先對概念作了簡單介紹，然后結(jié)合“思考與交流”中給出的一些具體數(shù)據(jù)，讓學(xué)生思考并討論，最后找出硫酸生產(chǎn)的最佳條件，并歸納給出平衡移動原理。接下來再讓學(xué)生通過一個“思考與交流”來認(rèn)識平衡移動原理。這樣將有關(guān)的化學(xué)原理與生產(chǎn)實際問題結(jié)合起來進行教學(xué)，也是化學(xué)與技術(shù)課程中的主要教學(xué)設(shè)計思想。 關(guān)于環(huán)境和能源問題，本課題結(jié)合硫酸生產(chǎn)的具體情況進行說明，體現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生環(huán)境和能源意識的觀點。 教學(xué)重點：化工生產(chǎn)過程中的基本問題。工業(yè)制硫酸的生產(chǎn)原理。平衡移動原理及其對化工生產(chǎn)中條件控制的意義和作用。 教學(xué)難點：平衡移動原理及其對化工生產(chǎn)中條件控制的意義和作用。 二、問題交流 【學(xué)與問】硫酸生產(chǎn)過程中的污水，可利用酸堿中和反應(yīng)進行處理。 【思考與交流1】參見教科書。 【思考與交流2】早期黃鐵礦的儲量比較大，而天然硫黃資源缺乏，又難以從國外購進，并且，那時對環(huán)境保護也不夠重視。目前世界上許多國家都限制以黃鐵礦為原料制硫酸，主要也是考慮到環(huán)境污染問題，而且，隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備的大型化使以硫黃為原料制硫酸的成本也逐漸降低。 【思考與交流3】 1．從表1-1和表1-2可以看出，溫度越低、壓強越大，越有利于SO2的生成，但壓強的影響不是很大。 2．思路：低溫時有利于SO2的轉(zhuǎn)化，但考慮催化劑活性，溫度不能太低。高壓有利于SO2的轉(zhuǎn)化，但試驗表明增大壓強，SO2的轉(zhuǎn)化率提高并不大，而且考慮設(shè)備、成本和能源消耗問題，壓強不應(yīng)很高，可以考慮常壓。（對此問題學(xué)生可能會有不同的回答，教師可引導(dǎo)學(xué)生討論，最后給出實際結(jié)果） 課題2 人工固氮技術(shù)——合成氨 一、教材分析和建議 本課題圍繞著合成氨的反應(yīng)原理以及實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的有關(guān)問題展開討論，幫助學(xué)生了解合成氨工業(yè)生產(chǎn)的主要原理和過程，認(rèn)識并體會由實驗室研究到工業(yè)化生產(chǎn)所需要經(jīng)歷的過程。 教科書的設(shè)計是，為了說明如何將大氣中的氮固定下來這一中心問題，首先，呈現(xiàn)問題提出的背景，也就是人們?yōu)槭裁匆敕皆O(shè)法地將大氣中的氮固定下來，直接的原因是滿足人類對氮肥、硝酸等含氮化合物的需要，間接的原因是地殼中氮元素的含量少、分布不均；緊接著的問題是如何將大氣中的氮固定下來，指出合成氨在科學(xué)上和技術(shù)上的突破。最后，討論和評價并引發(fā)思考合成氨工業(yè)發(fā)展所面臨的新問題。 這種設(shè)計整體上體現(xiàn)了技術(shù)實踐中問題解決不斷循環(huán)發(fā)展的一般過程，如下頁圖所示。 教學(xué)建議如下： 1. 注意引導(dǎo)學(xué)生思考人工固氮技術(shù)——合成氨對于人類社會發(fā)展的重要意義，體現(xiàn)化學(xué)與技術(shù)發(fā)展的社會需求導(dǎo)向，并對技術(shù)生產(chǎn)評價標(biāo)準(zhǔn)的多元化有一個初步的認(rèn)識。說明在化學(xué)研究中，有些課題是屬于學(xué)術(shù)研究的熱點和重點，但不一定是技術(shù)研究開發(fā)的熱點和重點，技術(shù)研究往往要解決實際生產(chǎn)和生活中的具體問題，是受社會需求驅(qū)動的，這一點貫穿于整個教科書體系的設(shè)計中。另外，化學(xué)技術(shù)創(chuàng)新往往要落實在一種產(chǎn)品的生產(chǎn)上，合成氨就是這方面的典型代表。在課題1了解化工生產(chǎn)過程中的基本問題的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生思考將實驗室研究轉(zhuǎn)化成實際生產(chǎn)時面臨的一些問題，展示由一種原理上可行的設(shè)想轉(zhuǎn)變成實際生產(chǎn)過程中人們所要付出的艱苦努力。對于有志于理工科的學(xué)生來說，在培養(yǎng)科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)的同時不斷提高人文素養(yǎng)；對于有志于人文學(xué)科的學(xué)生來說，要幫助他們形成對于科學(xué)技術(shù)在社會發(fā)展中重要作用的正確認(rèn)識。例如，可以結(jié)合對哈伯其人其事（見教學(xué)資源）的分析評價，請同學(xué)們討論和交流各自的看法。 2. 通過實驗學(xué)習(xí)合成氨的反應(yīng)原理，利用化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡移動原理分析和討論合成氨的適宜反應(yīng)條件。由于氮氣具有特殊的穩(wěn)定性，合成氨是人工固定氮的一種方法，但反應(yīng)條件比較苛刻。如何實現(xiàn)這一具有重要意義的反應(yīng)，需要從實驗室研究開始，根據(jù)已有的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)原理，探究提高氨轉(zhuǎn)化率的適宜反應(yīng)條件。因此，影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素、化學(xué)平衡以及化學(xué)平衡移動的原理，是學(xué)生理解這些內(nèi)容的重要基礎(chǔ)。需要注意的是，在本單元的課題1 中結(jié)合硫酸生產(chǎn)，已經(jīng)涉及到這些內(nèi)容，在此需要根據(jù)合成氨這一具體反應(yīng)，進一步對有關(guān)問題加深理解。從更深層次來說，注意揭示現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展中科學(xué)基礎(chǔ)性作用變得越來越重要的趨勢。 3. 結(jié)合合成氨的基本生產(chǎn)過程以及合成氨工業(yè)的發(fā)展，幫助學(xué)生理解實際生產(chǎn)過程中應(yīng)該考慮的問題，認(rèn)識和體會由實驗室到工業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變所要解決的一些具體問題。例如，如何比較經(jīng)濟地獲得的原料氣體？為什么要進行原料氣的凈化？采用什么樣的流程才能實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)？如何將產(chǎn)品同未發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)物和其他產(chǎn)物進行分離？今后工藝改進的重點是什么？等等。所有這些問題，都與實驗室研究存在著哪些區(qū)別？考慮的角度和解決的方法有哪些不同？引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識和體現(xiàn)化學(xué)與技術(shù)的區(qū)別和聯(lián)系。 4. 設(shè)計教學(xué)過程時，課題的引入可以有多種形式，如可以從社會、生產(chǎn)和生活的現(xiàn)實問題引入，也可以從合成氨在科學(xué)技術(shù)歷史中的地位和作用引入，還可以從實驗室研究與大規(guī)模生產(chǎn)的區(qū)別與聯(lián)系，強調(diào)技術(shù)實踐的特殊性引入。總之，需要教師根據(jù)學(xué)生的今后志向、基礎(chǔ)以及其他具體條件，采用自己擅長的方式導(dǎo)入，展開教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)不同的教學(xué)風(fēng)格。 5. 對由實驗室研究轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)的問題，可以指導(dǎo)學(xué)生閱讀“科學(xué)史話”，對其轉(zhuǎn)化過程的具體情況和解決問題的艱難程度有所體會。另外，還可以結(jié)合歸納與整理中的圖示，引導(dǎo)學(xué)生思考一些問題，如盡管實驗室和工廠中進行的化學(xué)反應(yīng)是完全一樣的，但化學(xué)工業(yè)必須考慮用較低的成本獲得大量的高品質(zhì)產(chǎn)品，至少有四個關(guān)鍵問題，即工程、效益、三廢處理以及安全問題。例如，對于一個放熱反應(yīng)，在實驗室中進行時可能不需要考慮熱量的回收和利用問題，但當(dāng)反應(yīng)放大百萬倍，連續(xù)生產(chǎn)中產(chǎn)生的熱量就必須認(rèn)真對待了。類似的問題還有很多，可以由學(xué)生自己分析、討論和提出一些有價值的問題，并設(shè)計和交流各自解決的方案，如果條件允許，可以到化工廠進行實地的考察、參觀和咨詢。 教學(xué)重點：合成氨的反應(yīng)原理，合成氨生產(chǎn)的適宜條件。 教學(xué)難點：合成氨生產(chǎn)的適宜條件。 二、活動建議 【實驗1-1】本實驗?zāi)M工業(yè)上合成氨的原理和過程。催化劑也可用5 g還原鐵粉充分混和在石棉絨上制成，用酒精噴燈或煤氣燈加熱至紅熱，混合氣體的推入不宜過快。 三、問題交流 【思考與交流1】參考圖1-4中氮在自然界的循環(huán)，引導(dǎo)學(xué)生討論在循環(huán)過程中，幾個主要環(huán)節(jié)上氮元素存在的形式，以及它們之間相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)。一要體會氮和含氮化合物對于人類和其他生物生存和發(fā)展的意義；二要指明地殼中含氮化合物（如硝石）不僅礦藏數(shù)量有限，而且分布不均，而大氣中的氮則是充足、廉價的資源；三要分析含氮物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的幾種可能過程，如與高溫電弧固氮、生物固氮相比，目前合成氨這種人工固氮的成熟技術(shù)的特點和重要性。 【思考與交流2】 1. 通過實驗1-1可以看到，在實驗室條件下，由氮氣、氫氣直接合成氨是可以實現(xiàn)的，其中，鐵絲絨催化劑可以顯著地提高反應(yīng)速率。由此，可以討論這種合成氨方案的主要優(yōu)點：反應(yīng)物（生產(chǎn)原料）氮氣和氫氣都是比較容易得到的，雖然獲得氫氣相對來說較難，但自然界中大量碳氫化合物和水不僅可以提供大量的氫氣，還可以提供合成氨所需的能量。雖然實驗室中氨合成的量較少，但在大規(guī)模生產(chǎn)中通過改變反應(yīng)條件（適當(dāng)?shù)母邷?、增大壓強、使用便宜易得的催化劑、通過液化及時分離氨等）可以提高氨的轉(zhuǎn)化率。 2. 合成氨反應(yīng)是一個可逆、放熱、氣體分子總數(shù)減小的反應(yīng)。因此，根據(jù)勒夏特列原理，溫度越低、壓強越大，該反應(yīng)的平衡體系中氨含量越高；但降低溫度則反應(yīng)速率降低，因此，要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)必須選擇適宜的反應(yīng)條件，其中，合適的催化劑將起到關(guān)鍵作用。一般說來，正確地選擇溫度、壓強等反應(yīng)條件和采用適當(dāng)?shù)拇呋瘎翘岣呱a(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重要手段。 3. 原理上可行的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)用于工業(yè)化生產(chǎn)時，應(yīng)該考慮的問題主要有：從經(jīng)濟上必須考慮該產(chǎn)品的市場前景如何，物料的使用和轉(zhuǎn)運、能耗、設(shè)備的投入和產(chǎn)出是否合算，等等；從環(huán)境影響考慮，廠址的選定、原料的處理、生產(chǎn)過程以及“三廢”處理如何達到國家有關(guān)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)；還要考慮現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)條件能否合理實現(xiàn)反應(yīng)的條件，操作安全是否可靠，能否實現(xiàn)自動控制等。可以結(jié)合后面的科學(xué)史話，與同學(xué)們共同分析和討論其中的具體問題。 【思考與交流3】 1. 使沒有起反應(yīng)的物質(zhì)從反應(yīng)后的混合物中分離出來，并重新回到反應(yīng)器中。從原因來說，很多化學(xué)反應(yīng)并不能一次反應(yīng)進行到底，常常不能得到唯一需要的產(chǎn)品，特別是一些轉(zhuǎn)化率低、副反應(yīng)多的有機反應(yīng)，因此，有必要進行循環(huán)操作；從結(jié)果來說，循環(huán)操作的主要目的在于充分地利用原料、降低成本；從工藝設(shè)計以及環(huán)境保護角度來說，循環(huán)操作有利于實現(xiàn)全封閉、連續(xù)化生產(chǎn)，有利于減少工序、控制廢棄物的排放，因此，循環(huán)操作常常成為化學(xué)工藝設(shè)計時重點考慮的問題。 2. 聯(lián)合生產(chǎn)可以使原料、產(chǎn)品等物料得到充分的利用，減少物流交通所耗費的人力、物力，降低產(chǎn)品的成本。可以實現(xiàn)能量和設(shè)備等資源、技術(shù)的共享，也是綠色化學(xué)工藝改進的一條重要思路。從經(jīng)濟角度，聯(lián)合生產(chǎn)有可能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，以求得規(guī)模效益和綜合效益的最大化。例如，合成氨與硝銨、碳銨等氮肥生產(chǎn)的聯(lián)合，石油精煉廠與合成洗滌劑廠的聯(lián)合生產(chǎn)等。討論中，可以讓學(xué)生介紹自己所了解的聯(lián)合生產(chǎn)實例，也可以鼓勵學(xué)生大膽地想象其中可能的聯(lián)合生產(chǎn)方案。 課題3 純堿的生產(chǎn) 一、教材分析和建議 本課題是按照純堿生產(chǎn)工藝發(fā)展的三個階段（三種工藝流程）展開的。從化學(xué)技術(shù)發(fā)展的角度，體現(xiàn)了人類制堿工藝的演變歷史，從而使學(xué)生從縱向發(fā)展來認(rèn)識和體會化學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點和趨勢；從化學(xué)知識角度，主要學(xué)習(xí)如何根據(jù)純堿的化學(xué)組成，推測其生產(chǎn)原料，進而選擇和確定從原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)原理，需要對一系列化學(xué)變化及其相互關(guān)系進行分析；從化工生產(chǎn)的角度，通過對幾種工藝流程的逐一分析和比較，對其優(yōu)點和不足進行評價和判斷，其中也涉及到原料的合理利用、工藝路線的選擇和優(yōu)化、環(huán)境保護等不同的評價標(biāo)準(zhǔn)，有利于學(xué)生從多種方案中進行評價和決策，學(xué)會一些分析和解決問題的思路和方法。另外，從化學(xué)與技術(shù)的關(guān)系來看，只要原料中含有純堿中的三種元素，化學(xué)反應(yīng)原理可行，那么，可以有很多途徑得到純堿，可以形成多種工藝和技術(shù)過程，但作為實用的技術(shù)必須考慮原料的供應(yīng)、成本、能耗和環(huán)境保護等因素，從這個角度，可以使學(xué)生對化學(xué)與技術(shù)的區(qū)別和聯(lián)系有一個更深的理解。 教學(xué)中，建議以氨堿法為重點，學(xué)習(xí)物質(zhì)之間相互轉(zhuǎn)化的合理設(shè)計，通過科學(xué)探究活動，認(rèn)識分離、提純物質(zhì)的方法。對于聯(lián)合制堿法，則側(cè)重于與氨堿法的比較，認(rèn)識它們的區(qū)別和聯(lián)系，不宜過多地涉及復(fù)雜鹽溶液體系的分離和提純問題。 教學(xué)重點：氨堿法的生產(chǎn)原理。 教學(xué)難點：復(fù)雜鹽溶液體系中固體物質(zhì)的結(jié)晶、分離和提純。 二、問題交流 【思考與交流1】 1. 天然堿的生產(chǎn)主要是利用碳酸鈉從水溶液中結(jié)晶析出，因此，根據(jù)固體物質(zhì)在水中溶解度的影響因素，改變溫度、結(jié)晶水合物的組成以及溶劑水的質(zhì)量等因素，可以改變碳酸鈉在水中的溶解情況，提高結(jié)晶析出的速率和質(zhì)量（純度）。 2. 天然堿的主要成分為碳酸鈉，含有鈉離子和碳酸根離子。碳酸鹽是由自然界中的二氧化碳通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化而來，因此，二氧化碳或者能夠產(chǎn)生二氧化碳的碳酸鹽是生產(chǎn)原料之一；含有鈉離子的化合物很多，自然界中大量存在的、最常見的是氯化鈉，因此，氯化鈉是比較理想的生產(chǎn)原料之一。而氯化鈉溶液為中性，碳酸鈉溶液為堿性，由氯化鈉轉(zhuǎn)化為碳酸鈉需要在堿性條件下進行，因此，原料中需要引入堿性物質(zhì)，自然界中大量存在的堿性物質(zhì)可以來自碳酸鈣，它既含有碳酸根離子，又是一種堿性物質(zhì)。 【思考與交流2】兩種生產(chǎn)設(shè)計方案的主要區(qū)別在于，聯(lián)合制堿法利用合成氨生產(chǎn)中的氨和二氧化碳，生產(chǎn)過程中回收氯化銨，沒有像氨堿法那樣引入碳酸鈣后產(chǎn)生氯化鈣而無法合理地回收利用，侯氏制堿法的優(yōu)點在于綜合利用了合成氨生產(chǎn)中的物料，提高了氯化鈉的利用率，減少了環(huán)境污染，從綠色化學(xué)角度看，更加符合現(xiàn)代化工生產(chǎn)的設(shè)計要求。 【思考與交流3】人類制堿工藝的改進和發(fā)展，經(jīng)歷了幾代人的努力，其中路布蘭、索爾維和侯德榜是他們中的杰出代表。僅從三人的學(xué)習(xí)和工作經(jīng)歷可以看到，即使純堿生產(chǎn)這樣傳統(tǒng)的基本化工生產(chǎn)，化學(xué)、化工的理論學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗都是同樣重要的，相比較而言，在科學(xué)技術(shù)不夠發(fā)達的古代，經(jīng)驗和嘗試的成分多些，而現(xiàn)代工藝越來越需要較高的理論支持，越來越依賴高新科技的支撐作用，換言之，化工產(chǎn)品的科學(xué)技術(shù)含量越來越高，不管是過去還是將來，科學(xué)技術(shù)的進步永遠需要創(chuàng)新精神和實踐能力，從這個意義上，路布蘭、索爾維和侯德榜都是值得我們永遠學(xué)習(xí)的榜樣。（如果同學(xué)有興趣，教師可以結(jié)合教科書中提到的其他一些人物，如哈伯、齊格勒和納塔等，提供一些參考資料引導(dǎo)學(xué)生進一步學(xué)習(xí)和了解，對一些有爭議的人物，可以讓學(xué)生們充分發(fā)表自己的意見。） 練習(xí)與實踐參考 1. 只要舉出三種并分析合理即可（略）。 2. 在廚房中區(qū)分食鹽和純堿可以有多種方法，如品嘗味道、觀察顆粒狀態(tài)、用手觸摸是否有滑膩的感覺、試驗在水中的溶解性等方法；在實驗室則可以利用它們與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時的現(xiàn)象進行判斷，如測定水溶液的酸堿性、分別與氯化鈣溶液反應(yīng)、分別與硝酸銀溶液和稀硝酸反應(yīng)等。 3. 以硫為原料制備二氧化硫S+O2＝SO2；利用催化氧化反應(yīng)將二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫；三氧化硫轉(zhuǎn)化為硫酸SO3+H2O====H2SO4。 4. 廢氣廢渣廢水（硫酸和合成氨中“三廢”的治理參見教科書有關(guān)內(nèi)容） 5. （1）——a；（2）——c；（3）——d；（4）——b；（5）——c。 6. A 7. CaO+H2O====Ca(OH) 2 ；Ca(OH) 2+Na2CO3====CaCO3+2NaOH 8. 73噸 9. 0.49提高 教學(xué)資源 1. 硫酸生產(chǎn)的方法 生產(chǎn)硫酸最古老的方法是用綠礬（FeSO47H2O）為原料，放在蒸餾釜中煅燒而制得硫酸。在煅燒過程中，綠礬發(fā)生分解，放出二氧化硫和三氧化硫，其中三氧化硫與水蒸氣同時冷凝，便可得到硫酸。 在18世紀(jì)40年代以前，這種方法為不少地方所采用。古代稱硫酸為“綠礬油”，就是由于采用了這種制造方法的緣故。 二氧化硫氧化成三氧化硫是制硫酸的關(guān)鍵，但這一反應(yīng)在通常情況下很難進行。后來人們發(fā)現(xiàn)，借助于催化劑的作用，可以使二氧化硫氧化成三氧化硫，然后用水吸收，即制成硫酸。根據(jù)使用催化劑的不同，硫酸的工業(yè)制法可分為硝化法和接觸法。 硝化法（包括鉛室法和塔式法）是借助于氮的氧化物使二氧化硫氧化制成硫酸。其中鉛室法在1746年開始采用，反應(yīng)是在氣相中進行的。由于這個方法所需設(shè)備龐大，用鉛很多，檢修麻煩，腐蝕設(shè)備，反應(yīng)緩慢，且成品為稀硫酸，所以，這個方法后來逐漸地被淘汰。 在鉛室法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的塔式法，開始于20世紀(jì)初期。1907年在奧地利建成了世界上第一個塔式法制硫酸的工廠，其制造過程同樣是使氮的氧化物起氧的傳遞作用，從而氧化二氧化硫，再用水吸收三氧化硫而制成硫酸，不同的是該過程在液相中進行，生產(chǎn)成本及產(chǎn)品質(zhì)量都大大優(yōu)于鉛室法。塔式法制出的硫酸濃度可達76%左右，目前，我國仍有少數(shù)工廠用塔式法生產(chǎn)硫酸。 硝化法的反應(yīng)歷程較復(fù)雜，但可用簡單的化學(xué)方程式表示如下： 反應(yīng)中所需的NO由硝酸供給，氧氣來自空氣。 接觸法是目前廣泛采用的方法，它創(chuàng)始于1831年，在20世紀(jì)初才廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。到20世紀(jì)20年代后，由于釩觸媒的制造技術(shù)和催化效能不斷提高，已逐步取代價格昂貴和易中毒的鉑觸媒。世界上多數(shù)的硫酸廠都采用接觸法生產(chǎn)。 接觸法中二氧化硫在固體觸媒表面跟氧反應(yīng)，結(jié)合成三氧化硫，然后用983%的硫酸吸收為成品酸。這種方法優(yōu)于塔式法的是成品酸濃度高，質(zhì)量純（不含氮化物），但爐氣的凈化和精制比較復(fù)雜。 2. 制造硫酸的原料 制造硫酸可以用硫黃、黃鐵礦、有色金屬冶煉廠煙氣、石膏等作原料。從基建投資、加工費用及環(huán)境保護等方面考慮，硫黃制酸裝置均優(yōu)于黃鐵礦制酸裝置。只要能以合理的價格得到硫黃，通常硫黃是制硫酸的首選材料。另一方面，由于有色冶金工業(yè)的發(fā)展和日趨嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，有色金屬冶煉煙氣制酸的產(chǎn)量逐年增加。相反，黃鐵礦制酸的比重卻呈下降趨勢。20世紀(jì)90年代初，世界硫酸生產(chǎn)的原料構(gòu)成為： 硫黃 黃鐵礦 其他 65% 16% 19%（有色冶金煙氣占3/4） 我國硫酸生產(chǎn)的原料構(gòu)成如表1-1所示。 表1-11988年—1992年中國硫酸生產(chǎn)的原料構(gòu)成/% 3. 我國的硫黃與黃鐵礦資源 我國的天然硫資源缺乏，而且開采條件比較復(fù)雜，故產(chǎn)量不大?；厥樟螯S主要來自石油和天然氣，每年約從煉油回收硫黃8萬噸，從天然氣加工回收硫黃9萬噸。以黃鐵礦為原料煉硫年產(chǎn)量10余萬噸。 表1-2中國硫產(chǎn)量/1104 t 國外硫黃的主要來源是從煉油和天然氣中加工回收。1995年世界硫黃產(chǎn)量為3 600萬噸。 我國的黃鐵礦總儲量為46.35億噸，其中工業(yè)儲量為14.27億噸，平均含硫量為17.57%，且大多數(shù)是小礦、貧礦。 表1-3中國硫酸和黃鐵礦產(chǎn)量及其預(yù)測/1104 t 今后趨勢是黃鐵礦將供不應(yīng)求，缺口逐漸增大。 4. 硫黃制酸與黃鐵礦制酸技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的比較 硫黃制酸比黃鐵礦制酸生產(chǎn)流程短，設(shè)備少，占地少，因此前者投資省，建設(shè)周期短。硫黃制酸的生產(chǎn)簡單穩(wěn)定，容易操作，易于實現(xiàn)全自動控制，原料運輸量小，三廢治理量小，操作人員少，勞動生產(chǎn)率高，易于裝置大型化。這些可從表1-4看出。 表1-4某廠兩種年產(chǎn)8萬噸硫酸裝置技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的比較 硫黃制酸成本略高于黃鐵礦制酸，那是由于原料硫黃需要進口。如果生產(chǎn)裝置大型化，充分發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)的優(yōu)勢，則可做到生產(chǎn)成本與黃鐵礦制酸相當(dāng)或略低。 5. 關(guān)于制硫酸時不用水吸收而用98.3%的濃硫酸吸收三氧化硫的問題 三氧化硫被水吸收生成硫酸，同時放出大量的熱。從化學(xué)方程式上看，吸收三氧化硫似乎可以用水。但實際上用水吸收的效率很低，并得不到較高濃度的硫酸，這是因為水的表面上有很大的水蒸氣分壓，也就是說，在氣相中水蒸氣分子數(shù)很多。三氧化硫跟水蒸氣分子迅速結(jié)合，生成硫酸分子，由于來不及溶解在水里，在氣相中即發(fā)生硫酸蒸氣的過飽和現(xiàn)象而凝成酸霧。酸霧比硫酸分子大得多，且又懸浮于氣相中，運動速度慢，使進一步吸收三氧化硫發(fā)生困難。 據(jù)實踐證明，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.3%的濃硫酸吸收三氧化硫時，能達到很高的吸收率。 當(dāng)使用硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于98.3%時，發(fā)生的情況與用水吸收三氧化硫相似。這時進行著兩個過程：一是氣相中的三氧化硫被酸液吸收后，即跟酸液里的水分子結(jié)合生成硫酸；二是三氧化硫在氣相中跟酸液表面蒸發(fā)出來的水蒸氣結(jié)合生成硫酸蒸氣。 當(dāng)硫酸蒸氣生成后，氣相中硫酸蒸氣的分壓，就會超過酸液面上硫酸的平衡蒸氣壓，因而氣相里的硫酸分子便陸續(xù)進入酸液里，由于氣相里硫酸分子進入酸液內(nèi)的速度比硫酸里水分蒸發(fā)的速度小，使氣相里硫酸分子的數(shù)目越來越多，造成硫酸蒸氣在氣相中的過飽和現(xiàn)象，這時硫酸蒸氣就會凝結(jié)成酸霧而不易被酸液所吸收。如果吸收的酸越稀，則酸的液面上水蒸氣分壓越大，生成酸霧的可能性就越大，三氧化硫的吸收也就越不完全。 當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于98.3%時，硫酸和三氧化硫的蒸氣壓都隨著酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而加大。也就是說，這時在氣相中就有大量的硫酸分子和三氧化硫分子存在，如果從外面通入的氣體中三氧化硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于983%的硫酸本身可放出三氧化硫，用這樣的硫酸來吸收三氧化硫時，當(dāng)然是不可能吸收得很完全的。 因此，用來吸收三氧化硫的硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，既不可太高，也不可太低，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.3%為最適宜。 6. 氮氣的實驗室制法 加熱氯化銨飽和溶液和亞硝酸鈉晶體（或飽和溶液）的混合物可制備氮氣。在圓底燒瓶上配一雙孔橡皮塞，帶上一分液漏斗和一短彎導(dǎo)管。燒瓶中放亞硝酸鈉晶體（或飽和溶液），飽和氯化銨溶液由分液漏斗滴入，加熱燒瓶到85 ℃左右，就有氮氣產(chǎn)生。當(dāng)空氣排出后可用排水集氣法收集氮氣或用橡皮球膽直接收集。因為此反應(yīng)是放熱反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)開始時就應(yīng)停止加熱?；瘜W(xué)方程式為： 7. 化學(xué)模擬生物固氮的研究 豆科植物固氮菌能固定空氣中的N2。常溫、常壓下，N2和H3O+反應(yīng)變?yōu)镹H4+(aq)，這在熱力學(xué)上是可逆的，問題是要有催化劑——固氮酶。 N2+8H3O+（aq）==2NH4+（aq）+8H2O（l） 固氮酶中鐵鉬蛋白、鐵蛋白的相對分子質(zhì)量分別為226 000和60 000。 隨著對固氮酶的深入研究，使常溫、常壓下固定氮成為可能。 目前，化學(xué)模擬生物固氮的重要研究課題之一，是固氮酶活性中心結(jié)構(gòu)的研究。固氮酶由鐵蛋白和鉬鐵蛋白這兩種含過渡金屬的蛋白質(zhì)組合而成。鐵蛋白主要起著電子傳遞輸送的作用，而含二個鉬原子和二三十個鐵和硫原子的鉬鐵蛋白是絡(luò)合N2或其他反應(yīng)物（底物）分子，并進行反應(yīng)的活性中心所在之處。關(guān)于活性中心的結(jié)構(gòu)有多種看法，目前尚無定論。從各種底物結(jié)合物活化和還原加氫試驗來看，含雙鉬核的活性中心較為合理。我國有兩個研究組于1973—1974年間，不約而同地提出了含鉬鐵的三核、四核活性中心模型，能較好地解釋固氮酶的一系列性能，但其結(jié)構(gòu)細節(jié)還有待根據(jù)新的實驗結(jié)果精確化。 國際上有關(guān)的研究成果認(rèn)為，溫和條件下的固氮作用一般包含以下三個環(huán)節(jié)： ①絡(luò)合過程。它是用某些過渡金屬的有機絡(luò)合物去絡(luò)合N2，使它的化學(xué)鍵削弱； ②還原過程。它是用化學(xué)還原劑或其他還原方法輸送電子給被絡(luò)合的N2，來拆開N2中的N—N鍵； ③加氫過程。它是提供H+來和負價的N結(jié)合，生成NH3。 目前，化學(xué)模擬生物固氮工作的一個主要困難是，N2絡(luò)合了但基本上沒有活化，或絡(luò)合活化了，但活化得很不夠。所以，穩(wěn)定的雙氮基絡(luò)合物一般在溫和條件下通過化學(xué)還原劑的作用只能析出N2，從不穩(wěn)定的雙氮絡(luò)合物還原制出的NH3的量相當(dāng)微少。因此迫切需要從理論上深入分析，以便找出突破的途徑。 固氮酶的生物化學(xué)和化學(xué)模擬工作已取得一定的進展，這必將有力地推動絡(luò)合催化的研究，特別是對尋找催化效率高的合成氨催化劑，將是一個有力的促進。 8. 化工技術(shù)發(fā)展的主要階段 很早以前，人類已試圖將某些天然原料和礦石加工成生活用品，直到發(fā)展成現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)，大致而言，經(jīng)過四個主要階段： 手工業(yè)生產(chǎn)階段 遠在上古時代，人們對于食品的釀制和加工，藥物、鞣革和天然染料的動植物加工等已有所認(rèn)識。約7 000年前進入金石并用時代，人們利用天然銅制得紅銅。約5 000年前進入青銅時代，青銅器在西亞及埃及已廣泛使用。約3 000年前已利用隕鐵制鐵刃銅兵器。2 500年前我國煉鐵并鑄鼎。新石器時代人們已用陶器。3 500年前出現(xiàn)瓷器。3 000年前埃及人已制作玻璃器具。古希臘羅馬時代已利用硫黃、天然堿和瀝青，并冶煉多種金屬和合金。 在中世紀(jì)的1 200多年中，煉金術(shù)的影響遍及整個歐洲。煉金術(shù)家從事大量的實驗室工作，發(fā)現(xiàn)了不少化合物，擴大了對合金的認(rèn)識，制得了一些重要的無機酸和有機酸，用到了一系列的操作（溶解、結(jié)晶、沉降、過濾、蒸餾、升華、煅燒等）。 公元12~13世紀(jì)，中國的造紙和火藥技術(shù)傳入歐洲，推動了歐洲的工藝生產(chǎn)和軍事技術(shù)。之后，隨著紡織業(yè)的發(fā)展，染料大量使用，純堿消耗量大增。這時的堿主要來自天然堿和草木灰，百萬噸計的木材被焚燒以提取鉀堿。與此同時，因文藝和建筑的發(fā)展，大量使用建筑材料和顏料，新的無機化合物（主要金屬氧化物和硫化物）被不斷開發(fā)并生產(chǎn)。 這一階段化學(xué)技術(shù)的特點是手工業(yè)生產(chǎn)方式，用來解決部分醫(yī)療、戰(zhàn)爭、生活和文藝的需要，積累的經(jīng)驗是零亂的，但開始建立了現(xiàn)代化學(xué)的根基。值得提到的有：波義耳（Boyle）的氣體定律（1661年），拉瓦錫（Lavosier）的物質(zhì)不滅定律（1774年）和道爾頓（Dalton）的原子學(xué)說（1803年）。 工業(yè)發(fā)展階段 化學(xué)工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)可認(rèn)為是從路布蘭（Leblanc）1788年提出以食鹽為原料的制堿方法為開始。 路布蘭制堿法對硫酸的迫切需要，促進了硫酸生產(chǎn)技術(shù)的改進和生產(chǎn)規(guī)模的擴大。1554年人們用干餾法制硫酸，1746年羅巴克（Roebuck）第一次用鉛室（約0.2 m3）制酸，1793年克雷蒙（Clment）使用鉛室法連續(xù)生產(chǎn)硫酸，并于1803年闡明氧化氮在制酸過程中的催化機理。1818年希爾（Hill）提出用硫鐵礦代替硫黃作為制酸原料。1827年蓋呂薩克（GayLussac）提出用吸硝塔，但直到1859年格羅弗（Glover）創(chuàng)設(shè)脫硝塔后，才使整個鉛室法定型。到1923年，塔式法制酸投入生產(chǎn)，使硫酸生產(chǎn)得到新的發(fā)展。 路布蘭法制堿的副產(chǎn)品硫化鈣原來作為廢棄物堆放，占用大量場地并分解出硫化氫造成公害，后來由克勞斯（Claus）提出用碳酸法轉(zhuǎn)化成碳酸鈣和硫化氫，硫化氫再經(jīng)氧化成硫而回收。路布蘭法由于綜合利用原料，使工廠不僅生產(chǎn)碳酸鈉，而且生產(chǎn)硫、硫酸、芒硝、硫代硫酸鈉、苛性鈉、鹽酸、漂白粉等產(chǎn)品，第一次在化學(xué)工業(yè)上將許多個別部門組成一個龐大的聯(lián)合企業(yè)，并且在單元操作和化工設(shè)備等各方面為現(xiàn)代化大型聯(lián)合化學(xué)工業(yè)作了不少先驅(qū)工作。然而，路布蘭法的煤耗量大，產(chǎn)品質(zhì)量低，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，高溫操作，勞動強度大，因而工業(yè)上迫切要求更為完善的制堿方法。1838年達亞爾（Dyar）提出了用食鹽和碳酸氫銨制碳酸氫鈉的反應(yīng)。直到1862年，索爾維（Solvay）才使氨堿法在工業(yè)上實現(xiàn)，食鹽的利用率顯著提高，產(chǎn)品因質(zhì)量純凈而被稱為純堿。由于氨堿法的各工序都連續(xù)生產(chǎn)，成本低廉，原材料消耗少，設(shè)備生產(chǎn)能力大，到二十世紀(jì)二十年代全部取代了路布蘭法。此后，到1892年，電解食鹽水、石棉隔膜電解槽和汞電解槽相繼投入工業(yè)生產(chǎn)。 隨著工業(yè)和城市的發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品的需要量大為增加。為了農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，1841年開始生產(chǎn)過磷酸鈣，1870年后興起鉀鹽開采工業(yè)，同時智利硝石也大量開采。 隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，其副產(chǎn)品的化學(xué)利用成為重大課題。十八世紀(jì)末已有煤氣工廠生產(chǎn)煤氣，供應(yīng)城市照明和作燃料，副產(chǎn)的煤焦油起初只用于防腐。到十九世紀(jì)初期，人們從煤焦油中分離出苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽、苯酚等化合物。1934年米希爾里希（Mitscherlich）用苯與硝酸制得硝基苯。1842年齊寧（Зинин）用還原硝基苯的方法得到苯胺。1856年帕金（Perkin）從苯胺合成苯胺紫，這是第一個人工合成的染料。1868年格雷貝（Graebe）等將蒽醌通過溴化后合成茜素，這是第一次人工合成天然染料，后來經(jīng)過改進，用磺化法合成，使合成茜素在1871年供應(yīng)市場。1878年拜爾（Baeyer）合成了靛藍。這樣，十九世紀(jì)后半期，以煤焦油為原料的有機合成工業(yè)迅速發(fā)展。除了染料外，還發(fā)展了藥品、香料、炸藥等多種生產(chǎn)。例如，水楊酸于1838年合成；阿司匹林于1899年用于醫(yī)藥；1868年帕金用水楊醛合成香豆素，賴邁爾（Reimer）于1876年人工合成水楊醛；雷姆森（Remson）在1879年以甲苯為原料合成糖精；1846年索布雷羅（Sobrero）制得硝化甘油；1867年諾貝爾（Nobel）將硝化甘油改性成實用的烈性炸藥；1880年赫普（Hepp）從甲苯制得三硝基甲苯。到1888年，人們用焦炭為原料制得電石，從電石又可制得乙炔，開辟了有機合成的另一途徑，使有機合成工業(yè)得到了進一步發(fā)展。 在這一時期，由于產(chǎn)業(yè)革命而促進了化工生產(chǎn)的迅速發(fā)展，使之脫離了手工作坊的規(guī)模，大量人力由機器取代，新工藝、新技術(shù)不斷使用，新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。但化學(xué)學(xué)科還沒有對生產(chǎn)起到積極指導(dǎo)和推動作用，而是生產(chǎn)向化學(xué)學(xué)科提出了迫切要求解決的各類課題，并用實踐豐富了科學(xué)。化學(xué)學(xué)科的內(nèi)容不斷得到充實，理論逐步形成并趨于體系化。重要的發(fā)現(xiàn)：如1811年阿伏加德羅（Avogadro）提出分子學(xué)說；貝采里烏斯（Berzelius）在1814年發(fā)表了第一個原子量表；1836年蓋斯（Hess）發(fā)表了熱化學(xué)定律；邁厄爾（Mager）、焦耳（Joule）和格羅夫（Grove）在1842年幾乎同時發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第一定律，其中焦耳是以嚴(yán)格的科學(xué)實驗論證的；1850年克勞修斯（Clausius）在已發(fā)表的卡諾原理（1824年）的基礎(chǔ)上提出了熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第三定律直到1906年才由能斯特（Nernst）創(chuàng)立。應(yīng)著重指出的是，門捷列夫（Менделеев）于1869年發(fā)表了第一個周期律圖表，反映出各種元素性質(zhì)與其原子量間存在的客觀規(guī)律。周期律的科學(xué)性奠定了無機化學(xué)的基礎(chǔ)，其預(yù)見性則為尋找新元素提供了理論上的指導(dǎo)。此外，在化學(xué)平衡方面，基本定律逐步發(fā)現(xiàn)。范特霍夫（Vant Hoff）定律、吉布斯（Gibbs）相律（1876年）、勒夏特列（Le Chatelier）原理（1884年）等為化學(xué)平衡原理打下了基礎(chǔ)。日拉爾（Gerhardt）的有機化合物同系列概念（1843年），凱庫勒（Kekul）的碳四價學(xué)說（1857年）、布特列洛夫（Бутлеров）的化學(xué)結(jié)構(gòu)概念（1861年）等則為有機結(jié)構(gòu)理論提供了依據(jù)。 科學(xué)開發(fā)階段 化學(xué)工業(yè)發(fā)展的第三階段可以認(rèn)為始于1913年哈伯（Haber）和波施（Bosch）將第一個合成氨廠建成并投產(chǎn)，該廠設(shè)計生產(chǎn)能力為日產(chǎn)氨30噸。 人們很早就進行了固定空氣中氮的嘗試，曾取得了積極的效果。1905年電弧法工廠在挪威成功地進行了工業(yè)運轉(zhuǎn)，1906年在意大利建成第一個生產(chǎn)氰氨化鈣工廠。但以氮氫為原料直接合成氨在當(dāng)時是很難的課題。從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，經(jīng)歷了150年。在物理化學(xué)有了巨大的進展之后，質(zhì)量作用定律、化學(xué)平衡原理，化學(xué)動力學(xué)和催化原理等從各方面為解決合成氨研究指出了途徑。合成氨需要采用高溫、高壓、高活性催化劑和循環(huán)操作等條件。這些條件的確定與平衡常數(shù)小的可逆反應(yīng)、反應(yīng)物氮的化學(xué)惰性等因素有關(guān)。同時，過程不僅要解決凈化反應(yīng)物以除去催化毒物和分離出反應(yīng)產(chǎn)物以使原料循環(huán)利用等工藝問題，而且要解決高溫下耐氫蝕鋼材和高壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)等問題，并且還要確定熱量的合理利用和原料氫的來源。由此可見，合成氨生產(chǎn)在工業(yè)上的實現(xiàn)是將化學(xué)、材料力學(xué)、機械工藝和自動控制工藝等學(xué)科的知識融為一體的結(jié)果。隨著1916年氨催化氧化制硝酸在工業(yè)上的實現(xiàn)，合成氨的原料也從半水煤氣，發(fā)展到用焦?fàn)t氣、天然氣，又?jǐn)U展到用石腦油、石油餾分等。 與此同時，其他化學(xué)工業(yè)也迅速發(fā)展，尤其是石油煉制和石油化工。1854年西利曼（Siliman）建立了最早的原油分餾裝置，但當(dāng)時只利用重質(zhì)餾分作燃料，而將揮發(fā)性油扔掉。1883年汽油發(fā)動機（戴木拉Daimler）和1893年柴油發(fā)動機（狄塞爾Diesel）的發(fā)明，促進了輕質(zhì)油利用和石油的開采、加工。1923年出現(xiàn)了減壓蒸餾，使石油煉制發(fā)展成現(xiàn)代的加工路線。瑞特伍德（Redwood）在1889年提出裂解原理，于1915年實現(xiàn)工業(yè)化，1938年出現(xiàn)流動床連續(xù)催化裂化，1959年試驗成功加氫異構(gòu)裂化。1919年將丙烯用硫酸水合法生產(chǎn)異丙醇。接著在1922年用氯醇法生產(chǎn)乙二醇。1923年高溫裂解制乙烯的工業(yè)裝置投入運轉(zhuǎn)。1940年用鉑重整制芳烴的工藝出現(xiàn)并得到改進。1951年第一批天然氣氧化熱裂解制乙炔的工業(yè)裝置建成。由此，乙烯、丙烯、乙炔、芳烴等基本有機原料都可由石油化工提供。到二十世紀(jì)六十年代末，世界上有機化工產(chǎn)品的80%~90%來源于石油和天然氣，石油化工已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的重要基礎(chǔ)。 在石油化工發(fā)展的基礎(chǔ)上，三大合成材料工業(yè)快速發(fā)展。1872年拜爾（Bayer）制得了酚醛樹脂。1907年貝克蘭（Beakeland）制得了熱熔性和熱塑性樹脂。橡膠的低餾分組成在1860年由威廉斯（Willams）確定為C5H8。1910年海立斯（Harris）提出異戊二烯鈉聚合專利。列別捷夫（Леьедеев）發(fā)表丁二烯的鈉聚合。第一個合成纖維是1935年卡羅澤斯（Carothers）試制成功的錦綸-66，于1938年工業(yè)化生產(chǎn)。之后高聚物工業(yè)飛速發(fā)展，成為國民經(jīng)濟的重要支柱。 這一時期中，化工的各門學(xué)科逐漸形成。1915年里德爾（Little）提出單元操作的概念；華爾克（Walker）等在1923年編著出化學(xué)工程教材，二十世紀(jì)五十年代出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)工程，使化工過程的開發(fā)從經(jīng)驗放大逐漸走向模擬放大，加速了工藝過程的創(chuàng)新。 電子革命階段 工業(yè)發(fā)展的第四階段是電子革命時代，即當(dāng)前所處的時代，可以認(rèn)為始于1946年第一臺電子數(shù)字計算機問世。電子計算機已由電子管發(fā)展到大規(guī)模集成電路，正向微型、網(wǎng)絡(luò)、巨型和智能模擬方向發(fā)展，對科技計算（包括最佳方案選?。⑿畔⑻幚恚òü芾砗颓閳螅?、自動控制具有巨大的作用，改變了工業(yè)發(fā)展的面貌。 當(dāng)今時代也稱為合成材料時期。三大合成材料的生產(chǎn)飛躍增長，三大合成材料的新工藝、新品種不斷開拓。例如，高效催化劑制備聚乙烯，催化劑用量只有百萬分之五，可以革除掉后處理工序。高強、耐熱、抗燃、防老化的高分子材料不斷出現(xiàn)，特種性能的半導(dǎo)體、導(dǎo)體、甚至超導(dǎo)、光導(dǎo)、磁性能、聲性能的功能高分子正在開發(fā)，生化高分子在工業(yè)上開始應(yīng)用?；どa(chǎn)還為新技術(shù)的應(yīng)用提供了各種特殊的新材料，如為核能發(fā)電、磁流體發(fā)電、太陽能的光電轉(zhuǎn)換、火箭發(fā)射、航天飛機和人造衛(wèi)星航行、電子技術(shù)的磁性、壓電和半導(dǎo)體、激光的工作物質(zhì)、光電子學(xué)技術(shù)的顯示和存儲、紅外技術(shù)的遙感等提供了所需的特異性能材料。與此同時，合成化學(xué)向多方向發(fā)展，為新材料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、精細化工開發(fā)了數(shù)以千計的新產(chǎn)品，這是由于“分子設(shè)計”的定向合成逐步取得了成果，而且化學(xué)工程的發(fā)展，使科研成果通過模擬放大，迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。以往科研成果投入正式生產(chǎn)，要經(jīng)過5年或更多的時間，因為放大倍數(shù)只有5~10倍或稍大，要通過逐級放大，才能達到生產(chǎn)規(guī)模。由于電子計算機的應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)可以放大成百倍或上千倍。此外，生物化學(xué)工程和化學(xué)仿生工程正以新的生產(chǎn)部門的形式發(fā)展，方興未艾。如模擬酶的應(yīng)用，為化工生產(chǎn)開辟了新的領(lǐng)域。 目前，基本化學(xué)工業(yè)的工廠已發(fā)展為大型、微機控制、綜合利用、以及充分利用新技術(shù)。石油化工則向綜合利用、直接合成、開發(fā)新原料的方向發(fā)展，其中直接裂解原油和重質(zhì)油的技術(shù)不斷出新。C4、C5餾分的利用已成為重點。已開發(fā)乙烯直接合成乙二醇、丙烯直接水合制異丙醇等直接合成技術(shù)，并且從以烯烴為原料發(fā)展成由烷烴和芳烴出發(fā)制取有機原料。為探索新的原料來源，正在發(fā)展碳一合成，從合成氣和甲醇出發(fā)，直接制乙烯、乙醇、乙二醇、醋酸，以及一氧化碳與烯烴、甲苯等直接合成醛、酸、酯等。 當(dāng)前世界上面臨著兩個嚴(yán)重的問題：能源和環(huán)境?；どa(chǎn)是耗能的工業(yè)部門，如合成氨被稱為能源化工?；どa(chǎn)的污染也經(jīng)常造成明顯的公害。人們對此已予以相當(dāng)?shù)闹匾暋? ——摘編自蔣家俊編化學(xué)工藝學(xué)高等教育出版社，1988 9. 合成氨工業(yè)的奠基人——哈伯 為解決氮和氫直接合成氨作出重大貢獻的弗里茲哈伯于1868年12月9日出生于德國的布勞斯雷。哈伯先后在柏林大學(xué)和海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)過，1891年獲夏洛頓堡高等工業(yè)學(xué)院博士學(xué)位。畢業(yè)后的一年多時間內(nèi)，曾受雇于三家工廠，后來又進入瑞士蘇黎世的埃德格內(nèi)西舍高等工業(yè)學(xué)院，在龍奇德國工業(yè)化學(xué)家，曾發(fā)明制酸工業(yè)中的蒸餾。1896年哈伯在取得巴登大學(xué)永久講師的資格以后，在慕尼黑出版了他的第一部著作《關(guān)于碳氫化合物的分解和燃燒反應(yīng)的實驗性研究》，書中列舉了那些使哈伯開始成名的研究工作。在哈伯之前，法國化學(xué)家貝托雷巴黎綜合工業(yè)大學(xué)創(chuàng)始人之一，研究無機酸組成和有機化學(xué)。曾發(fā)現(xiàn)組成不固定的化合物的存在。已經(jīng)對碳氫化合物的熱分解反應(yīng)研究了25年之久，哈伯認(rèn)為貝托雷的結(jié)論并不正確。哈伯發(fā)現(xiàn)碳氫化合物的熱穩(wěn)定性有兩種情況，在芳香族化合物中，碳碳鍵的熱穩(wěn)定性比碳氫鍵強，但在脂肪族化合物中，情況恰好相反，即碳碳鍵的熱穩(wěn)定性比碳氫鍵弱。 20世紀(jì)初，哈伯的研究領(lǐng)域從有機化學(xué)轉(zhuǎn)向物理化學(xué)，雖然他在這一領(lǐng)域中并未受過正規(guī)的訓(xùn)練，但是在他的合作者勒金的幫助下，通過自學(xué)很快成了物理化學(xué)的行家。勒金是著名的物理化學(xué)家阿累尼烏斯的學(xué)生。哈伯在物理化學(xué)方面的第一項研究是硝基苯的電化學(xué)還原反應(yīng)，其他還有奎寧—醌醇體系的電極過程的本質(zhì)和反應(yīng)速率；燃料電池；測量氫氣、一氧化碳和碳的氧化反應(yīng)的自由能；結(jié)晶鹽類的電解；自動氧化反應(yīng)等等。他在電化學(xué)研究中最重要的發(fā)明還要算玻璃電極，它是測量pH不可缺少的儀器，歷史并不悠久。1906年生物學(xué)家克累麥?zhǔn)紫扔^察到以下的現(xiàn)象：將玻璃薄膜插入水溶液中，如果薄膜兩邊的溶液的酸度不同，那么玻璃薄膜的兩邊就會產(chǎn)生電位差?？死埯湹膶嶒灲Y(jié)果引起了哈伯極大的興趣，他邀請他的波蘭籍學(xué)生克累門西維茨共同探索這一奧秘，后者把玻璃薄膜浸泡在水溶液中，薄膜的一邊是鹽酸；另一邊是氫氧化鉀溶液，結(jié)果玻璃薄膜的兩邊竟然能產(chǎn)生500毫伏的電位差，它是可以測量出來的，哈伯和克累門西維茨的發(fā)明為設(shè)計和制造酸度計提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。哈伯在電化學(xué)方面的研究成果匯集在他的著作《工業(yè)電化學(xué)的理論基礎(chǔ)概論》中。1902年德國本生學(xué)會派遣哈伯到美國進行為期16周的學(xué)習(xí)訪問，他作了有關(guān)德國的化學(xué)教育和電化學(xué)工業(yè)發(fā)展的報告，在歐洲和美國獲得普遍的好評，這是哈伯進一步成名的標(biāo)志。 1905年哈伯在慕尼黑出版了《工業(yè)氣體反應(yīng)的熱力學(xué)》一書，書中介紹了他對氮和氫合成氨反應(yīng)的平衡關(guān)系的研究，從此哈伯進入了他科技生涯的全盛時期。 第一位研究氫和氮在高壓下直接合成氨反應(yīng)的化學(xué)家是勒夏特里，他是著名的勒夏特里原理的創(chuàng)立者，1900年他根據(jù)理論推算，認(rèn)為這一反應(yīng)能夠在高壓下進行。但是不幸得很，在用實驗驗證這些推算時，他所用的氣體混合物中混進了一些空氣，于是在反應(yīng)過程中，氫和氧發(fā)生了爆炸。勒夏特里在沒有查明事實真相的情況下，草率地決定停止這種冒險的實驗，終于使他的研究工作半途而廢。 第二位研究合成氨反應(yīng)的化學(xué)家是物理化學(xué)的創(chuàng)始人之一能斯特，他一向?qū)τ谘芯烤哂兄卮蟮墓I(yè)技術(shù)價值的氣體反應(yīng)很有興趣，所研究的范圍包括化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量作用定律和反應(yīng)速率。在能斯特研究過的體系中就有氮氫氨體系，但是他通過計算，卻認(rèn)為這一反應(yīng)沒有多大前途，所以合成氨反應(yīng)又遇到了夭折的命運。后來才弄清楚能斯特在計算時用了一個錯誤的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，以致得出了不正確的結(jié)論。 雖然在研究合成氨反應(yīng)中，化學(xué)家遇到了很多困難，但是哈伯和他的學(xué)生勒羅塞格諾爾仍然堅持不懈地、系統(tǒng)地研究。開始時，他們在常溫常壓下使氫和氮進行反應(yīng)，并沒有產(chǎn)生可以覺察到的氨；他們再讓氫氣和氮氣通過電火花，也只有少量氨生成。最后他們才把注意力集中在高壓這個反應(yīng)條件上，認(rèn)為高壓是最有可能實現(xiàn)合成氨反應(yīng)的。他們還通過理論計算，表明讓氫和氮在600 ℃和200個大氣壓力下進行反應(yīng)，大約可以生成8%的氨。他們還在高壓下將反應(yīng)氣體進行循環(huán)加工，并從這個循環(huán)過程中不斷地分離出反應(yīng)產(chǎn)生的氨。為了探索有效的催化劑，他們也進行了大量試驗，發(fā)現(xiàn)鋨和鈾具有最好的活性。最后獲得了以下的試驗結(jié)果，即在175~200個大氣壓力下和500~600 ℃時，氫和氮反應(yīng)能產(chǎn)生高于6%的氨。這些研究成果都發(fā)表在哈伯的著作《循環(huán)》中。1909年7月哈伯和勒羅塞格諾爾成功地建立了每小時能生產(chǎn)80克氨的實驗裝置。 哈伯和勒羅塞格諾爾的研究工作使德國巴登苯胺和蘇打公司確信這種合成方法具有很高的經(jīng)濟價值，于是該公司