高中化學(xué)第一單元走進化學(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)合成氨的基本原理、基本生產(chǎn)過程以及合成氨工業(yè)的發(fā)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(guān)系。德國化學(xué)家哈伯(1868—1934)一生從事化學(xué)研究，曾在1906年發(fā)明了氨的合成法，1908年又發(fā)明了合成氨的催化劑，為工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。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、合成氨的反應(yīng)原理1．反應(yīng)的化學(xué)方程式工業(yè)合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式________________________________________。2．反應(yīng)的特點(1)____________________反應(yīng)；(2)____________________反應(yīng)；(3)氣體分子總數(shù)____________________的反應(yīng)。3．適宜化工生產(chǎn)條件的選擇溫度：____________；壓強：______________；催化劑：____________________。自主思考：①合成氨反應(yīng)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、合成氨的基本生產(chǎn)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：水蒸氣與碳反應(yīng)，化學(xué)方程式為__________________。方法二：甲烷與水蒸氣反應(yīng)，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：為什么對原料氣進行凈化？3．氨的合成與分離(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)氨的分離：從合成塔出來的混合氣體通過________使氨________，從而將氨分離出來。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，分離出氨后為什么要進行循環(huán)操作？三、合成氨工業(yè)的發(fā)展1．原料及原料氣的凈化2．催化劑的改進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應(yīng)速率。②合成氨方案的主要優(yōu)點：反應(yīng)物較易獲得，通過改變反應(yīng)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)分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動力、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溫度的要求、工業(yè)生產(chǎn)對化學(xué)反應(yīng)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佳條件。為了提高合成氨生產(chǎn)的綜合經(jīng)濟效益，還有三點是不可忽視的：①使原料氣中n(N2)∶n(H2)≈1∶3；②將從反應(yīng)混合物中分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從平衡混合物中分離出來。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．氮氣的制備(1)物理方法：將空氣液化，蒸發(fā)分離出N2。由于相對分子質(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的氫氣。制取氫氣的途徑化學(xué)反應(yīng)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、成本、環(huán)境等重要因素。由電解水制氫氣，電能消耗大，成本高，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)采取的下列措施中，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分離出來，未反應(yīng)的N2、H2循環(huán)到合成塔中A．①B．②和③C．③和④D．④解析：對于反應(yīng)N2＋3H22NH3，①中加壓可使平衡向正反應(yīng)方向移動；②中高溫不利于反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的提高，只能加快反應(yīng)速率；③中催化劑不影響化學(xué)平衡；④中及時分離出NH3和將未反應(yīng)的N2、H2循環(huán)到合成塔中，都使平衡向正反應(yīng)方向移動。答案：B點撥：勒夏特列原理只能解釋有關(guān)平衡移動的問題，不能解釋化學(xué)反應(yīng)速率的問題。知識點2合成氨的基本生產(chǎn)過程【例題2】工業(yè)合成氨是在一定條件下進行的可逆反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。其部分工藝流程如下：請回答下列問題：(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)合成氨反應(yīng)后可以通過降低混合氣體的溫度而使氨氣分離出來。這種分離物質(zhì)的方法的原理類似于下列哪種方法？____________________(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，如果漏氣則會有白煙生成。該反應(yīng)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)，所以在進行原料氣的反應(yīng)前，需要除掉其中的雜質(zhì)；工業(yè)合成氨反應(yīng)后的混合氣體中既有氨氣，也有未反應(yīng)的氫氣、氮氣，所以為了提高原料氣的利用率，將未反應(yīng)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)，從而進行分離，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)生變化而分離。(4)2NH3＋3Cl2=N2＋6HCl，生成的HCl又與NH3反應(yīng)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)濟效益等)(3)b通過改變溫度而改變物質(zhì)的狀態(tài)，達到分離的目的(4)8NH3＋3Cl2=6NH4Cl＋N2點撥：在合成氨反應(yīng)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應(yīng)。為了充分利用原料，要把氨及時分離出來，使未反應(yīng)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(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)反應(yīng)原理如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1(1)該反應(yīng)的特點是______________、______________、______________。(2)綜合運用化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素和化學(xué)平衡移動原理分析，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：______________；④催化劑：____________。答案:1．AB、C項生產(chǎn)H2成本太高，不符合實際；D項液化空氣得N2；A項正確。2．B工業(yè)上將未反應(yīng)的N2、H2通過循環(huán)壓縮機送回合成塔循環(huán)利用。3．答案：(1)可