最新高中化學(xué)第一單元走進(jìn)化學(xué)工業(yè)課題2人工固氮技術(shù)-合成氨學(xué)案新人教版選修2

PAGEPAGE5課題2人工固氮技術(shù)——合成氨1．了解工業(yè)合成氨的根本原理、根本生產(chǎn)過程以及合成氨工業(yè)的開展。2．了解工業(yè)獲得合成氨的大量廉價(jià)原料氣的方法，了解合成氨原料氣循環(huán)利用的原理和重要意義。3．了解工業(yè)合成氨與環(huán)境的關(guān)系。德國化學(xué)家哈伯(1868—1934)一生從事化學(xué)研究，曾在1906年創(chuàng)造了氨的合成法，1908年又創(chuàng)造了合成氨的催化劑，為工業(yè)化生產(chǎn)奠定了根底。思考：如何利用空氣中的氮?dú)鈦砗铣傻誓?？答案：氮?dú)馀c氫氣在高溫、高壓和催化劑條件下生成氨氣，由氨氣來合成氮肥。一、合成氨的反響原理1．反響的化學(xué)方程式工業(yè)合成氨反響的化學(xué)方程式________________________________________。2．反響的特點(diǎn)(1)____________________反響；(2)____________________反響；(3)氣體分子總數(shù)____________________的反響。3．適宜化工生產(chǎn)條件的選擇溫度：____________；壓強(qiáng)：______________；催化劑：____________________。自主思考：①合成氨反響中催化劑的主要作用是什么？②合成氨方案的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？二、合成氨的根本生產(chǎn)過程主要包括三個(gè)步驟：________、________、________。1．制備合成氨的原料氣(1)制備氮?dú)夥椒ㄒ唬篲_________________________。方法二：________________________________。(2)制備氫氣方法一：水蒸氣與碳反響，化學(xué)方程式為__________________。方法二：甲烷與水蒸氣反響，化學(xué)方程式為______________________；____________________________。2．原料氣的凈化(1)除去H2S(用氨水)的化學(xué)方程式為______________________。(2)除去CO的化學(xué)方程式為______________________，__________________________。(3)精制原料氣：用________、________和________配制成的溶液來吸收__________、________、______、________等少量有害氣體。自主思考：為什么對(duì)原料氣進(jìn)行凈化？3．氨的合成與別離(1)氨的合成：凈化后的原料氣進(jìn)入氨合成塔，在__________、__________和____________作用下合成氨。(2)氨的別離：從合成塔出來的混合氣體通過________使氨________，從而將氨別離出來。自主思考：合成塔出來的混合氣體中約含15%體積分?jǐn)?shù)的氨，別離出氨后為什么要進(jìn)行循環(huán)操作？三、合成氨工業(yè)的開展1．原料及原料氣的凈化2．催化劑的改良3．環(huán)境保護(hù)廢渣：用途為________________。廢氣：主要是________和________等有害氣體。廢液：主要是含________和含________的污水。答案:1.N2＋3H22NH32．(1)可逆(2)放熱(3)減小3．400～500℃10～30MPa以鐵為主的催化劑自主思考提示：①催化劑的主要作用是提高反響速率。②合成氨方案的主要優(yōu)點(diǎn)：反響物較易獲得，通過改變反響條件可以提高氨的產(chǎn)率。二、造氣凈化合成1．(1)將空氣液化后蒸發(fā)別離出氧氣而獲得氮?dú)鈱⒖諝庵械难鯕馀c碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳得到氮?dú)?2)C＋H2OCO＋H2CH4＋H2O3H2＋COCH4＋2H2O4H2＋CO22．(1)NH3·H2O＋H2S=NH4HS＋H2O(2)CO＋H2OCO2＋H2K2CO3＋CO2＋H2O=2KHCO3(3)醋酸銅氨COCO2O2H2S自主思考提示：合成氨需要純潔的氮?dú)夂蜌錃?。在制取原料氣的過程中，?；煊幸恍╇s質(zhì)，其中的某些雜質(zhì)會(huì)使合成氨所用的催化劑中毒而失去催化作用。3．(1)高溫高壓催化劑(2)冷凝器液化自主思考提示：①合成氨反響轉(zhuǎn)化率低，從合成塔出來的混合氣體中氮?dú)夂蜌錃獾暮枯^大；②循環(huán)操作的主要目的是充分利用原料、降低本錢；③循環(huán)操作利于實(shí)現(xiàn)全封閉、連續(xù)化生產(chǎn)，利于減少工序、控制廢物的排放。三、3.建材和肥料的原料H2SCO2氰化物氨一、合成氨條件的選擇1．合成氨反響的特點(diǎn)合成氨反響是一個(gè)可逆反響：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。：298K時(shí)，ΔH＝－46.1kJ·mol－1，ΔS＝－99.5J·K－1·mol－1。ΔH－TΔS＝－46.1kJ·mol－1－298K×(－99.5×10－3kJ·K－1·mol－1)＝－16.45kJ·mol－1＜0常溫下，合成氨反響能自發(fā)進(jìn)行，所以合成氨的反響特點(diǎn)：①所有的反響物和生成物都是氣態(tài)，且該反響為可逆反響；②氣體物質(zhì)的量減少的熵減反響；③該反響的正反響是放熱反響。2．合成氨工業(yè)要求(1)反響要有較大的反響速率；(2)要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。3．工業(yè)合成氨最正確條件的選擇任何化工生產(chǎn)適宜條件的選擇都要從兩個(gè)方面考慮：理論和實(shí)際。反響條件對(duì)化學(xué)反響速率的影響對(duì)平衡混合物中氨含量(體積分?jǐn)?shù))的影響合成氨條件的選擇增大壓強(qiáng)有利于增大化學(xué)反響速率有利于提高平衡混合物中氨的含量增大壓強(qiáng)，有利于氨的合成，但需要的動(dòng)力大，對(duì)材料、設(shè)備等要求也高，因此，工業(yè)上一般采用10～30MPa的壓強(qiáng)升高溫度有利于增大化學(xué)反響速率不利于提高平衡混合物中氨的含量升高溫度，化學(xué)反響速率增大，但不利于提高平衡混合物中氨的含量，因此，合成氨時(shí)溫度要適宜，工業(yè)上一般采用400～500℃左右的溫度，在這個(gè)溫度時(shí)，鐵觸媒的活性也最大使用催化劑有利于增大化學(xué)反響速率沒有影響工業(yè)上一般采用鐵觸媒，使反響能在較低溫度下較快地進(jìn)行綜上可知，要使合成氨的化學(xué)反響具有理想的反響速率和反響物的平衡轉(zhuǎn)化率，要掌握合成氨化學(xué)反響本身的特點(diǎn)，運(yùn)用化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡原理，同時(shí)考慮合成氨生產(chǎn)中的動(dòng)力、材料、設(shè)備等因素，綜合確定合成氨的條件。當(dāng)前，從所用催化劑的活性對(duì)溫度的要求、工業(yè)生產(chǎn)對(duì)化學(xué)反響的速率與限度的要求、制作生產(chǎn)設(shè)備的材料性能和技術(shù)水平、追求生產(chǎn)投入與產(chǎn)品的最大正效益等實(shí)際情況來看，400～500℃的溫度、10～30MPa的壓強(qiáng)和鐵觸媒的組合是合成氨的最正確條件。為了提高合成氨生產(chǎn)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，還有三點(diǎn)是不可無視的：①使原料氣中n(N2)∶n(H2)≈1∶3；②將從反響混合物中別離出來的氮?dú)夂蜌錃庵匦聣嚎s后輸入合成塔再次利用；③及時(shí)將NH3從平衡混合物中別離出來。二、合成氨的生產(chǎn)工藝1．關(guān)鍵設(shè)備合成塔。2．工藝流程三、合成氨原料氣的制備1．氮?dú)獾闹苽?1)物理方法：將空氣液化，蒸發(fā)別離出N2。由于相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，空氣中所含氣體的沸點(diǎn)N2＜O2＜CO2，因此，高壓下將空氣液化后，經(jīng)減壓蒸發(fā)，最先得到的是N2，然后還可以得到O2等。此法是目前工業(yè)上制取N2和O2的主要方法。(2)工業(yè)上所采用的化學(xué)方法：用煤在空氣中燃燒，除去O2，吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后，得到N2。2．氫氣的制造合成氨原料的關(guān)鍵是如何獲得大量廉價(jià)的氫氣。制取氫氣的途徑化學(xué)反響原理電解水制取氫氣2H2O2H2↑＋O2↑由煤或焦炭制取氫氣C＋H2OH2＋CO由天然氣或重油制取氫氣CH4＋H2O3H2＋COCH4＋2H2O4H2＋CO2原料制備路線的選擇，應(yīng)綜合考慮資源、工藝、能耗、本錢、環(huán)境等重要因素。由電解水制氫氣，電能消耗大，本錢高，不適于制取大量的氫氣。知識(shí)點(diǎn)1合成氨適宜條件的分析【例題1】合成氨工業(yè)采取的以下措施中，不能用勒夏特列原理解釋的是()。①10～30MPa②500℃的高溫③鐵觸媒作催化劑④將生成的氨液化并及時(shí)從體系中別離出來，未反響的N2、H2循環(huán)到合成塔中A．①B．②和③C．③和④D．④解析：對(duì)于反響N2＋3H22NH3，①中加壓可使平衡向正反響方向移動(dòng)；②中高溫不利于反響物轉(zhuǎn)化率的提高，只能加快反響速率；③中催化劑不影響化學(xué)平衡；④中及時(shí)別離出NH3和將未反響的N2、H2循環(huán)到合成塔中，都使平衡向正反響方向移動(dòng)。答案：B點(diǎn)撥：勒夏特列原理只能解釋有關(guān)平衡移動(dòng)的問題，不能解釋化學(xué)反響速率的問題。知識(shí)點(diǎn)2合成氨的根本生產(chǎn)過程【例題2】工業(yè)合成氨是在一定條件下進(jìn)行的可逆反響：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。其局部工藝流程如下：請(qǐng)答復(fù)以下問題：(1)第②步除需要催化劑這個(gè)條件外，還需要的條件是___________________________________________________________。(2)第①步操作中的原料氣的“凈化〞目的是____________________________，第③步操作中的目的是___________________________________________。(3)工業(yè)合成氨反響后可以通過降低混合氣體的溫度而使氨氣別離出來。這種別離物質(zhì)的方法的原理類似于以下哪種方法？____________________(填編號(hào))。a．過濾b．蒸餾c．分液d．萃取你作出這個(gè)判斷的理由是_____________________________________________。(4)可以用氯氣來檢驗(yàn)輸送氨氣的管道是否漏氣，如果漏氣那么會(huì)有白煙生成。該反響的化學(xué)方程式為_________________________________________________。解析：(2)原料氣中往往含有使催化劑中毒的物質(zhì)，所以在進(jìn)行原料氣的反響前，需要除掉其中的雜質(zhì)；工業(yè)合成氨反響后的混合氣體中既有氨氣，也有未反響的氫氣、氮?dú)猓詾榱颂岣咴蠚獾睦寐?，將未反響的原料氣進(jìn)行重新利用，這樣可以提高經(jīng)濟(jì)效益。(3)降低溫度，氨變?yōu)橐簯B(tài)，從而進(jìn)行別離，所以跟工業(yè)上利用的蒸餾類似，都是通過改變溫度，使物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化而別離。(4)2NH3＋3Cl2=N2＋6HCl，生成的HCl又與NH3反響生成NH4Cl小顆?！谉煯a(chǎn)生。答案：(1)高溫、高壓(2)防止催化劑中毒提高原料利用率(或提高經(jīng)濟(jì)效益等)(3)b通過改變溫度而改變物質(zhì)的狀態(tài)，到達(dá)別離的目的(4)8NH3＋3Cl2=6NH4Cl＋N2點(diǎn)撥：在合成氨反響的平衡混合物中氨的體積分?jǐn)?shù)僅占15%，還有大量的氮?dú)夂蜌錃馕捶错?。為了充分利用原料，要把氨及時(shí)別離出來，使未反響的原料氣重新得到利用。1工業(yè)上用氫氣和氮?dú)夂铣砂保瑲錃獾闹饕獊碓词?)。A．水和燃料B．電解水C．鋅和稀硫酸D．液化空氣2如圖是合成氨的簡要流程示意圖，x路線上送回合成塔的物質(zhì)是()。A．催化劑B．N2和H2C．只有N2D．只有H23合成氨工業(yè)的化學(xué)反響原理如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1(1)該反響的特點(diǎn)是______________、______________、______________。(2)綜合運(yùn)用化學(xué)反響速率的影響因素和化學(xué)平衡移動(dòng)原理分析，工業(yè)生產(chǎn)中合成氨的適宜條件是①增大______________濃度；②溫度：__________________；③壓強(qiáng)：______________；④催化劑：____________。答案:1．AB、C項(xiàng)生產(chǎn)H2本錢太高，不符合實(shí)際；D項(xiàng)液化空氣得N2；A項(xiàng)正確。2．B