高中化学第一单元走进化学工业课题2人工固氮技术——合成氨学案新人教版选修21

高中化学第一单元走进化学工业课题2人工固氮技术——合成氨学案新人教版选修21

真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 1 课题 2 人工固氮技术——合成氨 1．了解工业合成氨的基本原理、基本生产过程以及合成氨工业的发展。 2．了解工业获得合成氨的大量廉价原料气的方法，了解合成氨原料气循环利用的原理 和重要意义。 3．了解工业合成氨与环境的关系。 德国化学家哈伯(1868—1934)一生从事化学研究，曾在 1906 年发明了氨的合成法，1908 年又发明了合成氨的催化剂，为工业化生产奠定了基础。 思考：如何利用空气中的氮气来合成氮肥呢？ 答案：氮气与氢气在高温、高压和催化剂条件下生成氨气，由氨气来合成氮肥。 一、合成氨的反应原理 1．反应的化学方程式 工业合成氨反应的化学方程式________________________________________。 2．反应的特点 (1)____________________反应； (2)____________________反应； (3)气体分子总数____________________的反应。 3．适宜化工生产条件的选择 温度：____________；压强：______________；催化剂：____________________。 自主思考：①合成氨反应中催化剂的主要作用是什么？②合成氨方案的主要优点是什 么？ 二、合成氨的基本生产过程 主要包括三个步骤：________、________、________。 1．制备合成氨的原料气 (1)制备氮气 方法一：__________________________。 方法二：________________________________。 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 2 (2)制备氢气 方法一：水蒸气与碳反应，化学方程式为__________________。 方 法 二 ： 甲 烷 与 水 蒸 气 反 应 ， 化 学 方 程 式 为 ______________________ ； ____________________________。 2．原料气的净化 (1)除去 H2S(用氨水)的化学方程式为______________________。 (2)除去 CO 的化学方程式为______________________，__________________________。 (3)精制原料气：用________、________和________配制成的溶液来吸收__________、 ________、______、________等少量有害气体。 自主思考：为什么对原料气进行净化？ 3．氨的合成与分离 (1) 氨 的 合 成 ： 净 化 后 的 原 料 气 进 入 氨 合 成 塔 ， 在 __________ 、 __________ 和 ____________作用下合成氨。 (2)氨的分离：从合成塔出来的混合气体通过________使氨________，从而将氨分离出 来。 自主思考：合成塔出来的混合气体中约含 15% 体积分数 的氨，分离出氨后为什么要 进行循环操作？ 三、合成氨工业的发展 1．原料及原料气的净化 2．催化剂的改进 3．环境保护 废渣：用途为________________。 废气：主要是________和________等有害气体。 废液：主要是含________和含________的污水。 答案:1.N2＋3H2 2NH3 2．(1)可逆 (2)放热 (3)减小 3．400～500 ℃ 10～30 MPa 以铁为主的催化剂 自主思考 提示：①催化剂的主要作用是提高反应速率。 ②合成氨方案的主要优点：反应物较易获得，通过改变反应条件可以提高氨的产率。 二、造气 净化 合成 1．(1)将空气液化后蒸发分离出氧气而获得氮气 将空气中的氧气与碳作用生成二氧化 碳，再除去二氧化碳得到氮气 (2)C＋H2O CO＋H2 CH4＋H2O 3H2＋CO CH4＋2H2O 4H2＋CO2 2．(1)NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O (2)CO＋H2O CO2＋H2 K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3 (3)醋酸 铜 氨 CO CO2 O2 H2S 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 3 自主思考 提示：合成氨需要纯净的氮气和氢气。在制取原料气的过程中，常混有一些杂质，其中 的某些杂质会使合成氨所用的催化剂中毒而失去催化作用。 3．(1)高温 高压 催化剂 (2)冷凝器 液化 自主思考 提示：①合成氨反应转化率低，从合成塔出来的混合气体中氮气和氢气的含量较大；② 循环操作的主要目的是充分利用原料、降低成本；③循环操作利于实现全封闭、连续化生产， 利于减少工序、控制废物的排放。 三、3.建材和肥料的原料 H2S CO2 氰化物 氨 一、合成氨条件的选择 1．合成氨反应的特点 合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。已知： 298 K 时， ΔH＝－46.1 kJ·mol－1，ΔS＝－99.5 J·K－1·mol－1。 ΔH－TΔS＝－46.1 kJ·mol－1－298 K×(－99.5×10－3 kJ·K－1·mol－1)＝－16.45 kJ·mol－1＜0 常温下，合成氨反应能自发进行，所以合成氨的反应特点：①所有的反应物和生成物都 是气态，且该反应为可逆反应；②气体物质的量减少的熵减反应；③该反应的正反应是放热 反应。 2．合成氨工业要求 (1)反应要有较大的反应速率； (2)要最大限度地提高平衡混合物中 NH3 的含量。 3．工业合成氨最佳条件的选择 任何化工生产适宜条件的选择都要从两个方面考虑：理论和实际。 反应条件 对化学反应 速率的影响 对平衡混合物中氨 含量(体积分数)的 影响 合成氨条件的选择 增大压强 有利 于增 大化学 反应速率 有利于提高平衡混 合物中氨的含量 增大压强，有利于氨的合成，但 需要的动力大，对材料、设备等 要求也高，因此，工业上一般采 用 10～30 MPa 的压强 升高温度 有利于增大化学 反应速率 不利于提高平衡混 合物中氨的含量 升高温度，化学反应速率增大， 但不利于提高平衡混合物中氨 的含量，因此，合成氨时温度要 适宜，工业上一般采用 400～500 ℃左右的温度，在这个温度时， 铁触媒的活性也最大 使用催 化剂 有利于增大化学 反应速率 没有影响 工业上一般采用铁触媒，使反应 能在较低温度下较快地进行 综上可知，要使合成氨的化学反应具有理想的反应速率和反应物的平衡转化率，要掌握 合成氨化学反应本身的特点，运用化学反应速率和化学平衡原理，同时考虑合成氨生产中的 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 4 动力、材料、设备等因素，综合确定合成氨的条件。当前，从所用催化剂的活性对温度的要 求、工业生产对化学反应的速率与限度的要求、制作生产设备的材料性能和技术水平、追求 生产投入与产品的最大正效益等实际情况来看，400～500 ℃的温度、10～30 MPa 的压强和 铁触媒的组合是合成氨的最佳条件。 为了提高合成氨生产的综合经济效益，还有三点是不可忽视的：①使原料气中 n(N2)∶n(H2)≈1∶3；②将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后输入合成塔再 次利用；③及时将 NH3 从平衡混合物中分离出来。 二、合成氨的生产工艺 1．关键设备 合成塔。 2．工艺流程 三、合成氨原料气的制备 1．氮气的制备 (1)物理方法：将空气液化，蒸发分离出 N2。由于相对分子质量越大，分子间作用力越 大，空气中所含气体的沸点 N2＜O2＜CO2，因此，高压下将空气液化后，经减压蒸发，最先得 到的是 N2，然后还可以得到 O2 等。此法是目前工业上制取 N2 和 O2 的主要方法。 (2)工业上所采用的化学方法：用煤在空气中燃烧，除去 O2，吸收 CO2(如用氨水吸收制 NH4HCO3)后，得到 N2。 2．氢气的制造 合成氨原料的关键是如何获得大量廉价的氢气。 制取氢气的途径 化学反应原理 电解水制取氢气 2H2O 2H2↑＋O2↑ 由煤或焦炭制取氢气 C＋H2O H2＋CO 由天然气或重油制取氢气 CH4＋H2O 3H2＋CO CH4＋2H2O 4H2＋CO2 原料制备路线的选择，应综合考虑资源、工艺、能耗、成本、环境等重要因素。由电解 水制氢气，电能消耗大，成本高，不适于制取大量的氢气。 知识点 1 合成氨适宜条件的分析 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 5 【例题 1】 合成氨工业采取的下列措施中，不能用勒夏特列原理解释的是( )。 ①10～30 MPa ②500 ℃的高温 ③铁触媒作催化剂 ④将生成的氨液化并及时从体系中 分离出来，未反应的 N2、H2 循环到合成塔中 A．① B．②和③ C．③和④ D．④ 解析：对于反应 N2＋3H2 2NH3，①中加压可使平衡向正反应方向移动； ②中高温不利于反应物转化率的提高，只能加快反应速率；③中催化剂不影响化学平衡；④ 中及时分离出 NH3 和将未反应的 N2、H2 循环到合成塔中，都使平衡向正反应方向移动。 答案：B 点拨：勒夏特列原理只能解释有关平衡移动的问题，不能解释化学反应速率的问题。 知识点 2 合成氨的基本生产过程 【例题 2】 工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应： N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。其部分工艺流程如下： 请回答下列问题： (1)第②步除需要催化剂这个条件外，还需要的条件是 ___________________________________________________________。 (2)第①步操作中的原料气的“净化”目的是____________________________， 第③步操作中的目的是___________________________________________。 (3)工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。这种分离物质 的方法的原理类似于下列哪种方法？____________________(填编号)。 a．过滤 b．蒸馏 c．分液 d．萃取 你作出这个判断的理由是_____________________________________________。 (4)可以用氯气来检验输送氨气的管道是否漏气，如果漏气则会有白烟生成。该反应的 化学方程式为_________________________________________________。 解析：(2)原料气中往往含有使催化剂中毒的物质，所以在进行原料气的反应前，需要 除掉其中的杂质；工业合成氨反应后的混合气体中既有氨气，也有未反应的氢气、氮气，所 以为了提高原料气的利用率，将未反应的原料气进行重新利用，这样可以提高经济效益。 (3)降低温度，氨变为液态，从而进行分离，所以跟工业上利用的蒸馏类似，都是通过 改变温度，使物质的状态发生变化而分离。 (4)2NH3＋3Cl2===N2＋6HCl，生成的 HCl 又与 NH3 反应生成 NH4Cl 小颗粒——白烟产生。 答案：(1)高温、高压 (2)防止催化剂中毒 提高原料利用率(或提高经济效益等) (3)b 通过改变温度而改变物质的状态，达到分离的目的 (4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2 点拨：在合成氨反应的平衡混合物中氨的体积分数仅占 15%，还有大量的氮气和氢气未 反应。为了充分利用原料，要把氨及时分离出来，使未反应的原料气重新得到利用。 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 6 1 工业上用氢气和氮气合成氨，氢气的主要来源是( )。 A．水和燃料 B．电解水 C．锌和稀硫酸 D．液化空气 2 如图是合成氨的简要流程示意图，x 路线上送回合成塔的物质是( )。 A．催化剂 B．N2 和 H2 C．只有 N2 D．只有 H2 3 合成氨工业的化学反应原理如下： N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 (1)该反应的特点是______________、______________、______________。 (2)综合运用化学反应速率的影响因素和化学平衡移动原理分析，工业生产中合成氨的 适 宜 条 件 是 ① 增 大 ______________ 浓 度 ； ② 温 度 ： __________________ ； ③ 压 强 ： ______________；④催化剂：____________。 答案:1．A B、C 项生产 H2 成本太高，不符合实际；D 项液化空气得 N2；A 项正确。 2．B 工业上将未反应的 N2、H2 通过循环压缩机送回合成塔循环利用。 3．答案：(1)可逆反应 正反应是气体分子总数减小的反应 正反应是放热反应 (2)反应物 400～500 ℃ 10～30 MPa 以铁为主的催化剂 解析：合成氨反应是一个正反应放热、气体分子总数减小的可逆反应，增大反应物浓度、 增大压强，反应速率加大，平衡右移，这对合成氨都是极为有利的条件，但压强大对设备的 要求也高，所以根据实际选择适宜的压强。升高温度反应速率加大，但平衡左移，反应程度 减小了，结合催化剂的活性，选择一个适当的温度也是非常必要的。