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

PAGEPAGE5課題2人工固氮技術——合成氨1．了解工業(yè)合成氨的根本原理、根本生產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)境的關系。德國化學家哈伯(1868—1934)一生從事化學研究，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)化生產奠定了根底。思考：如何利用空氣中的氮氣來合成氮肥呢？答案：氮氣與氫氣在高溫、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．反響的化學方程式工業(yè)合成氨反響的化學方程式________________________________________。2．反響的特點(1)____________________反響；(2)____________________反響；(3)氣體分子總數(shù)____________________的反響。3．適宜化工生產條件的選擇溫度：____________；壓強：______________；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)點是什么？二、合成氨的根本生產過程主要包括三個步驟：________、________、________。1．制備合成氨的原料氣(1)制備氮氣方法一：__________________________。方法二：________________________________。(2)制備氫氣方法一：水蒸氣與碳反響，化學方程式為__________________。方法二：甲烷與水蒸氣反響，化學方程式為______________________；____________________________。2．原料氣的凈化(1)除去H2S(用氨水)的化學方程式為______________________。(2)除去CO的化學方程式為______________________，__________________________。(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：為什么對原料氣進行凈化？3．氨的合成與別離(1)氨的合成：凈化后的原料氣進入氨合成塔，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%體積分數(shù)的氨，別離出氨后為什么要進行循環(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：反響物較易獲得，通過改變反響條件可以提高氨的產率。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氣將空氣中的氧氣與碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳得到氮氣(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氣和氫氣。在制取原料氣的過程中，?；煊幸恍╇s質，其中的某些雜質會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合成氨反響轉化率低，從合成塔出來的混合氣體中氮氣和氫氣的含量較大；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)操作利于實現(xiàn)全封閉、連續(xù)化生產，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．合成氨反響的特點合成氨反響是一個可逆反響：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。：298K時，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)進行，所以合成氨的反響特點：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適宜條件的選擇都要從兩個方面考慮：理論和實際。反響條件對化學反響速率的影響對平衡混合物中氨含量(體積分數(shù))的影響合成氨條件的選擇增大壓強有利于增大化學反響速率有利于提高平衡混合物中氨的含量增大壓強，有利于氨的合成，但需要的動力大，對材料、設備等要求也高，因此，工業(yè)上一般采用10～30MPa的壓強升高溫度有利于增大化學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，合成氨時溫度要適宜，工業(yè)上一般采用400～500℃左右的溫度，在這個溫度時，鐵觸媒的活性也最大使用催化劑有利于增大化學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行綜上可知，要使合成氨的化學反響具有理想的反響速率和反響物的平衡轉化率，要掌握合成氨化學反響本身的特點，運用化學反響速率和化學平衡原理，同時考慮合成氨生產中的動力、材料、設備等因素，綜合確定合成氨的條件。當前，從所用催化劑的活性對溫度的要求、工業(yè)生產對化學反響的速率與限度的要求、制作生產設備的材料性能和技術水平、追求生產投入與產品的最大正效益等實際情況來看，400～500℃的溫度、10～30MPa的壓強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的綜合經(jīng)濟效益，還有三點是不可無視的：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氣和氫氣重新壓縮后輸入合成塔再次利用；③及時將NH3從平衡混合物中別離出來。二、合成氨的生產工藝1．關鍵設備合成塔。2．工藝流程三、合成氨原料氣的制備1．氮氣的制備(1)物理方法：將空氣液化，蒸發(fā)別離出N2。由于相對分子質量越大，分子間作用力越大，空氣中所含氣體的沸點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鍵是如何獲得大量廉價的氫氣。制取氫氣的途徑化學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。知識點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：對于反響N2＋3H22NH3，①中加壓可使平衡向正反響方向移動；②中高溫不利于反響物轉化率的提高，只能加快反響速率；③中催化劑不影響化學平衡；④中及時別離出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。答案：B點撥：勒夏特列原理只能解釋有關平衡移動的問題，不能解釋化學反響速率的問題。知識點2合成氨的根本生產過程【例題2】工業(yè)合成氨是在一定條件下進行的可逆反響：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。其局部工藝流程如下：請答復以下問題：(1)第②步除需要催化劑這個條件外，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。這種別離物質的方法的原理類似于以下哪種方法？____________________(填編號)。a．過濾b．蒸餾c．分液d．萃取你作出這個判斷的理由是_____________________________________________。(4)可以用氯氣來檢驗輸送氨氣的管道是否漏氣，如果漏氣那么會有白煙生成。該反響的化學方程式為_________________________________________________。解析：(2)原料氣中往往含有使催化劑中毒的物質，所以在進行原料氣的反響前，需要除掉其中的雜質；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、氮氣，所以為了提高原料氣的利用率，將未反響的原料氣進行重新利用，這樣可以提高經(jīng)濟效益。(3)降低溫度，氨變?yōu)橐簯B(tài)，從而進行別離，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)濟效益等)(3)b通過改變溫度而改變物質的狀態(tài)，到達別離的目的(4)8NH3＋3Cl2=6NH4Cl＋N2點撥：在合成氨反響的平衡混合物中氨的體積分數(shù)僅占15%，還有大量的氮氣和氫氣未反響。為了充分利用原料，要把氨及時別離出來，使未反響的原料氣重新得到利用。1工業(yè)上用氫氣和氮氣合成氨，氫氣的主要來源是()。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是()。A．催化劑B．N2和H2C．只有N2D．只有H23合成氨工業(yè)的化學反響原理如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1(1)該反響的特點是______________、______________、______________。(2)綜合運用化學反響速率的影響因素和化學平衡移動原理分析，工業(yè)生產中合成氨的適宜條件是①增大______________濃度；②溫度：__________________；③壓強：______________；④催化劑：____________。答案:1．AB、C項生產H2本錢太高，不符合實際；D項液化空氣得N2；A項正確。2．B