2024-2025學(xué)年高中化學(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

PAGE7-課題2人工固氮技術(shù)——合成氨1．理解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理，選擇合成氨的相宜條件。2．了解合成氨生產(chǎn)的一般流程和反應(yīng)原理、反應(yīng)條件等。3．了解工業(yè)合成氨與環(huán)境的關(guān)系，知道合成氨工業(yè)“三廢”處理的基本方法。授課提示：對應(yīng)學(xué)生用書第5頁一、氮的存在和固定1．存在地殼中含量只有0.04%，大氣中氮氣占空氣體積的78%。2．氮的固定(1)概念：氮的固定是指將游離態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài)氮的方法。(2)分類氮的固定eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(自然固氮\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(高能固氮如：通過閃電等產(chǎn)生氮的化合物,生物固氮如：豆科植物的根瘤菌固氮)),人工固氮\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(工業(yè)合成氮,仿生固氮))))二、合成氨的反應(yīng)原理1．反應(yīng)原理用氫氣和氮氣合成氨的化學(xué)方程式為：N2＋3H2eq\o(,\s\up7(高溫、高壓),\s\do5(催化劑))2NH3。2．反應(yīng)特點合成氨反應(yīng)是一個可逆、放熱、氣體分子總數(shù)減小的反應(yīng)。3．反應(yīng)條件工業(yè)上，合成氨的相宜條件為采納以鐵為主的催化劑、400～500_℃的溫度、10～30_MPa的壓強。三、合成氨的基本生產(chǎn)過程合成氨的基本生產(chǎn)過程主要包括三個步驟：造氣(制備合成氨的原料氣)；凈化(原料氣凈化處理)；合成(使原料氣進行化學(xué)反應(yīng)合成氨)。1．制備合成氨的原料氣(1)氮氣的制備①物理方法：空氣eq\o(→,\s\up7(降溫),\s\do5(加壓))液態(tài)空氣eq\o(→,\s\up7(蒸餾),\s\do5(精餾))eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(液氮,液氧))②化學(xué)方法：將空氣中的氧氣與碳作用生成CO2，再除去CO2。(2)氫氣的制備①碳與水蒸氣的反應(yīng)，用方程式表示為：C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高溫))CO＋H2。②水蒸氣與碳氫化合物的反應(yīng)，用方程式表示為：CH4＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高溫),\s\do5(催化劑))3H2＋CO，CH4＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高溫),\s\do5(催化劑))4H2＋CO2。2．原料氣的凈化(1)含義：原料氣的凈化是指除去原料氣中雜質(zhì)的過程，目的是防止催化劑中毒。(2)凈化方法①H2S的除去，用方程式表示為：H2S＋NH3·H2O=NH4HS＋H2O。②CO的除去，用方程式表示為：CO＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(催化劑),\s\do5(△))CO2＋H2。③CO2的除去，用方程式表示為：K2CO3＋CO2＋H2O=2KHCO3。④最終，精制處理原料氣：用醋酸、銅和氨配制成的溶液來汲取CO、CO2、O2、H2S等少量有害氣體。3．氨的合成與分別(1)氨的合成：將凈化后的原料氣加壓送進合成塔，在相宜條件下充分反應(yīng)制取氨。(2)從合成塔出來的混合氣體，其中氨氣占總體積的15%，要把混合氣體通過冷凝器使氨液化，再導(dǎo)入液氨貯罐。四、合成氨工業(yè)的發(fā)展合成氨工業(yè)的主要探討領(lǐng)域有原料及原料氣的凈化、催化劑的改進、環(huán)境愛護。授課提示：對應(yīng)學(xué)生用書第6頁要點一合成氨相宜條件的選擇1．理論分析(1)反應(yīng)原理：化學(xué)方程式為N2(g)＋3H2(g)eq\o(,\s\up7(高溫、高壓),\s\do5(催化劑))2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。(2)反應(yīng)特點：①體積減小的反應(yīng)；②放熱反應(yīng)；③N2鍵能很大，所以成為活化分子所需能量也很高。(3)從速率角度分析：①溫度越高反應(yīng)速率越快；②壓強越大，濃度越大，反應(yīng)速率越快；③運用催化劑。(4)從平衡角度分析：①溫度越高NH3的產(chǎn)率越低；②壓強越大，氨氣的產(chǎn)率越高；③不斷分別出NH3，有利于提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。2．合成氨生產(chǎn)的要求合成氨工業(yè)要求：①反應(yīng)要有較大的反應(yīng)速率；②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。3．合成氨條件的選擇運用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理的有關(guān)學(xué)問，同時考慮合成氨生產(chǎn)中的動力、材料、設(shè)備等因素來選擇合成氨的相宜生產(chǎn)條件。(1)濃度：因為增大反應(yīng)物濃度，能提高反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率，故生產(chǎn)中常使廉價易得的原料適當(dāng)過量，以提高另一原料的利用率。因此生產(chǎn)中常適當(dāng)增加N2的比例。(2)壓強：無論從反應(yīng)速率還是化學(xué)平衡考慮，壓強越大越有利于合成氨。但壓強太大，動力消耗大，設(shè)備的質(zhì)量和制造水平要求高，故必需綜合考慮。目前我國合成氨廠一般采納的壓強在10～30MPa之間。(3)溫度：對于放熱反應(yīng)，升溫可提高反應(yīng)速率，但轉(zhuǎn)化率降低，若溫度太低，反應(yīng)速率又太慢，綜合考慮以500℃左右為宜。而且在此溫度下催化劑活性最大。(4)催化劑：加快反應(yīng)速率但不影響平衡，可以提高單位時間內(nèi)氨的產(chǎn)量。目前工業(yè)上多以鐵觸媒為催化劑。[例1]對于合成氨的反應(yīng)來說，運用催化劑和施以高壓，下列敘述中正確的是()A．都能提高反應(yīng)速率，都對化學(xué)平衡無影響B(tài)．都對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響，都不影響達到平衡狀態(tài)所用的時間C．都能縮短達到平衡狀態(tài)所用的時間，只有壓強對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響D．催化劑能縮短反應(yīng)達到平衡狀態(tài)所用的時間，而增大壓強無此作用[解析]對化學(xué)反應(yīng)N2＋3H22NH3，催化劑只能提高反應(yīng)速率使反應(yīng)達到平衡狀態(tài)所用的時間縮短，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動。高壓能提高反應(yīng)速率，使反應(yīng)達到平衡狀態(tài)所用的時間縮短，也能使化學(xué)平衡向生成NH3的反應(yīng)方向移動。[答案]C[方法規(guī)律]只有對反應(yīng)前后氣體體積相等的反應(yīng)[如H2g＋I2g2HIg]，運用催化劑和施以高壓對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響才一樣。1．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，可用勒夏特列原理來說明的是()A．運用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨B．高壓比常壓條件更有利于合成氨的反應(yīng)C．500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)D．合成氨時采納循環(huán)操作，可提高原料的利用率解析：勒夏特列原理運用范圍，就是能使已平衡的可逆反應(yīng)發(fā)生平衡移動的一些因素。選項A中催化劑不能使平衡移動。選項B中加壓可使合成氨反應(yīng)正向移動。選項C中高溫不利于合成氨，只能加快反應(yīng)速率，另外，500℃左右鐵觸媒活性最大。選項D中，循環(huán)運用，不涉及平衡移動問題。答案：B要點二合成氨的基本生產(chǎn)過程1．制備合成氨的原料氣氮氣：合成氨所須要的氮氣都取自空氣。從空氣中制取氮氣通常有兩種方法：一是將空氣液化后蒸發(fā)分別出氧氣而獲得氮氣；另一是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。氫氣：氫氣則來源于水和碳氫化合物。可以將水蒸氣通過赤熱的煤(或焦炭)層，使水蒸氣與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣：C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高溫))CO＋H2。2．原料氣的凈化(1)對原料氣凈化的緣由：在制取原料氣的過程中，?；煊幸恍╇s質(zhì)，其中的某些雜質(zhì)會使合成氨所用的催化劑“中毒”，所以必需除去，這一過程稱為原料氣的凈化。(2)汲取H2S：用稀氨水汲取H2S雜質(zhì)：NH3·H2O＋H2S=NH4HS＋H2O。(3)除去CO：制造原料氣過程中產(chǎn)生的CO必需變成CO2除去。工業(yè)生產(chǎn)中在催化劑(如Fe2O3和CuO等)作用下，一氧化碳可以與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣：CO＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高溫))CO2＋H2，生成的二氧化碳常采納K2CO3溶液汲?。篕2CO3＋CO2＋H2O=2KHCO3。(4)精制原料氣：用醋酸、銅和氨配制成的溶液來汲取CO、CO2、O2、H2S等少量有害氣體，進行精制處理。3．氨的合成與分別凈化后的原料氣經(jīng)過壓縮機壓縮至高壓，進入氨合成塔，氮氣與氫氣在高溫、高壓和催化劑作用下合成氨。從合成塔出來的混合氣體，通常約含15%(體積分數(shù))的氨。為了使氨從沒有反應(yīng)的氮氣和氫氣里分別出來，要把混合氣體通過冷凝器使氨液化，然后在氣體分別器里把液態(tài)氨分別出來導(dǎo)入液氨貯罐。由氣體分別器出來的氣體，經(jīng)過循環(huán)壓縮機，再送到合成塔中進行反應(yīng)。4．工藝流程：原料氣的制取→凈化→壓縮→合成→→液氨[例2]下圖是合成氨的簡易流程示意圖，沿X路途回去的物質(zhì)是()A．N2、H2 B．催化劑C．N2 D．H2[解析]從合成塔中出來的混合氣體經(jīng)冷凝分別出液氨后剩下N2、H2，可以接著參加氨的合成。[答案]A[方法規(guī)律]合成氨的可逆反應(yīng)，無論條件多么相宜，從合成塔中出來的氣體總有一部分未反應(yīng)的N2和H2(NH3可通過冷凝分別除去)，為充分利用原料氣，將此混合氣用循環(huán)壓縮機重新送入合成塔，同時不斷地補充簇新的原料氣，這樣氨的合成就形成了一個循環(huán)過程。2．在工業(yè)合成氨的工藝流程中，制得的N2、H2混合氣體送入氨合成塔中之前必需進行凈化除雜，凈化的主要目的是()A．提高轉(zhuǎn)化率 B．便于進行熱交換C．防止催化劑中毒 D．防止損壞設(shè)備解析：凈化與否對反應(yīng)混合氣體的熱交換和合成氨的轉(zhuǎn)化率基本上沒有影響，A、B不正確；某些雜質(zhì)對設(shè)備有肯定的腐蝕作用，但最主要的是雜質(zhì)可使催化劑中毒，影響合成氨的進行，所以凈化的主要目的是防止催化劑中毒，C項符合題意。答案：C授課提示：對應(yīng)學(xué)生用書第8頁1．下列轉(zhuǎn)變過程中，屬于人工固氮的是()A．N2eq\o(→,\s\up7(雷雨天))HNO3B．NH3eq\o(→,\s\up7(氧化法))HNO3C．NH4Cleq\o(→,\s\up7(＋CaOH2),\s\do5(△))NH3D．N2eq\o(→,\s\up7(＋H2),\s\do5(加熱、加壓、催化劑))NH3解析：游離態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài)氮的過程叫做氮的固定，所以B、C項的轉(zhuǎn)變過程不屬于氮的固定，A、D項的轉(zhuǎn)變是氮的固定，但A項的轉(zhuǎn)變是氮的一種自然作為，只有D項符合題意。答案：D2．合成氨所需的原料是()①水②空氣③焦炭④鐵觸媒A．①②B．②③C．①②③D．全部解析：鐵觸媒是合成氨的催化劑，不屬于原料。答案：C3．合成氨工業(yè)中限制的反應(yīng)條件應(yīng)()A．溫度越高越好B．壓強越大越好C．混合氣體中氫氣含量越高越好D．所選的催化劑活性越大越好解析：工業(yè)合成氨的熱化學(xué)方程式：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，好像壓強越大就越有利于平衡向合成氨的方向移動，溫度越高達到平衡的時間就越短，易錯選A或B。事實上在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中，壓強不能太大，否則能耗太高，并且對設(shè)備的要求高。而依據(jù)化學(xué)平衡移動原理，此反應(yīng)溫度越低越有利于平衡向正方向移動，但溫度太低，則催化劑的催化活性不能很好地發(fā)揮，反應(yīng)速率太慢；為解決上述沖突，一般選擇使催化劑活性最大時的溫度。答案：D4．為了進一步提高合成氨的生產(chǎn)效率，科研中具有開發(fā)價值的是()A．研制高溫下活性較大的催化劑B．尋求NH3的新來源C．研制低溫下活性較大的催化劑D．研制耐高溫高壓的新型材料建立合成塔解析：合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，降低溫度有利于提高合成氨的生產(chǎn)效率。答案：C5．氨在國民經(jīng)濟中占有重要的地位?，F(xiàn)在約有80%的氨用來制造化肥，其余的用作生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。例如，農(nóng)業(yè)上運用的氮肥如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、氯化銨、氨水以及各種含氮混合肥料和復(fù)合肥料，都是以氨為原料制成的；氨氧化法制硝酸是工業(yè)上制硝酸的主要方法。(1)綜合考慮各種因素，在實際生產(chǎn)中，合成氨一般選擇以________為催化劑，壓強在________之間，溫度在________左右。(2)要實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，首先要解決氫氣和氮氣的來源問題。氫氣的制取可有以下幾條途徑：①電解水制取氫氣，②由煤或焦炭來制取氫氣，③由自然氣制取氫氣。你認為哪種方法是最佳選擇？________(填序號)，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為__________________。(3)硝酸廠的尾氣中含有NO和NO2等污染物，為了防止污染大氣可以用燒堿溶液汲取從汲取塔中放出的尾氣，發(fā)生的反應(yīng)如下：2NaOH＋NO＋NO2=2NaNO2＋H2O2NaOH＋2NO2=NaNO2＋NaNO3＋H2O但在實際生產(chǎn)中常用純堿代替燒堿，也能發(fā)生類似的反應(yīng)，且放出CO2，試寫出用純堿溶液汲取NO和NO2的兩個反應(yīng)的化學(xué)方程式：①________________________________________________________________________________________________________________________________________________②______________________________________________________________________________________________________________