人教版高二化学第三节 合成氨工业复习教案
第三节 合成氨工业
【知识导学】
应用化学反应速率和化学平衡移动原理，解释合成氨工业的适宜条件的选择理由。
（1）工业生产中既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间产率.以上两点是选择反应条件的出发点
（2）当二者发生矛盾时，要结合具体情况辩证分析，找出最佳反应条件.
一、合成氨反应条件的选择原理：
1.选择根据： N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) + 92.4kJ，
反应特点：
①N2极不活泼，通常条件下反应难以进行.
②是一个气体体积缩小的反应.
③是一个放热反应.
2. 可供选择的条件：
反应条件 加快反应速率的措施 增大反应程度的措施
①浓度和压强 高压 高压
②温度 高温 降温
③催化剂 铁触媒 ____
④其它 ______ 及时分离出氨
3.选择条件时综合考虑的因素：
(1)高压：合成氨反应是有气体参加的反应，加压可加快反应速率 ；合成氨反应是气体体积缩小的反应，加压可促进平衡向正反应方向移动，提高N2和H2的转化率.从上表可看出只有高压既有利于加快速率，又利于增大反应程度，提高NH3的产率.但增压受到动力、设备耐压程度等的限制，结合实际生产条件，通常选择20M～50MPa气压.
(2)升温与恒温：
①因N2非常不活泼，必须在高温下才能与氢气发生反应，因此升温有利于加快反应速度 ；②合成氨反应是放热反应，降温使平衡向正反应方向移动，有利于增大反应程度，因此，生产中必须使用热交换器，将反应放出的热量传出(如给原料预热等)，使体系保持恒定的温度；③同时，由于催化剂铁触媒在500℃左右时才具有最大的催化活性.
因此，综合考虑各因素，合成氨反应选择500℃左右的温度.即需加热至500℃时开始反应；反应进行到一定程度时，放出热量会使体系温度升高，需及时将多余热量通过热交换器给原料气预热，以保持恒温.
(3)使用催化剂：催化剂只改变反应速率，不会影响平衡移动，不会影响产率，但使用催化剂可以使合成氨生产在较低温度下达到较高的速率，有利于N2、H2的转化，提高NH3的单位时间产量.因此催化剂解决了升温不利于获得较高N2、H2 转化率的矛盾.
掌握催化剂的如下特点：
①
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选择性：不同的反应选择不同的催化剂.如合成氨选择了铁触媒.每一种催化剂都是对特定的反应有催化作用，并非能改变任何反应的速率.不同的反应使用的催化剂一般是不同的.如有机反应醇→醛→酸的催化氧化，铜作催化剂只能催化第一步氧化反应，醋酸锰作催化剂只能催化第二步氧化反应.
②灵敏性：催化剂中混有杂质，常常会失去催化作用，称催化剂“中毒”，因此合成氨反应气体进入反应器前必须净化.
③催化剂只有在活化温度时才能起催化作用，如铁触媒活化温度为500℃，因此该温度为合成氨的最适宜温度.
在实际生产中，还需要将生成的降温使氨气液化，及时从混合物中分离出来，以提高原料的利用率.并且不断向循环气中补充N2和H2，使其充分被利用，以提高反应物的浓度.
总结： N2 +3H2 2NH3 +92.4kJ
对比思考：(1)2SO2+O22SO3+Q，反应中为什么不采取加压的方法?
答：此反应在常压下已达到很高的转化率(450℃、1大气压时SO2的转化率高达97.5%，450℃、100大气压时SO2的转化率仅为99.7%).故生产中不加压.
(2)为什么2SO2+O2 2SO3+Q 反应中，工业上使用过量的空气?而合成氨工业生产中又不采用一种反应物过量?
答：工业上常使价廉的原料过量来提高另一原料的利用率.空气过量能提高SO2的转化率.而合成氨的N2、H2原料的制备成本相近，故按体积比1∶3配料.
二、合成氨生产的工艺流程
制气 → 净化除杂→ 压缩 →合成 →冷却分离→循环压缩
(1)原料气的制备：
N2：物理方法为将空气液化，蒸发分离出N2.由于分子量越大分子间作用力越大，空气中气体的沸点 N2
甲
B．平衡后O2的浓度：乙>甲
C．SO2的转化率：乙>甲
D．平衡混合气中SO2的体积分数：乙>甲
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10．甲萘醌(维生素K)有止血作用，它可用2-甲基萘氧化制得，反应中常用乙酸作催化剂，该反应放热， 在某次合成实验反应中，用1.4g(0.01mol)的2-甲基萘才制得0.17g(0.001mol)甲萘醌.已知该次反庆的速率是快的.导致产率低的主要原因是 ( )
A．使用了过量的氧化剂
B．把反应混合物加热
C．没有用乙酸作催化剂而改用其它的催化剂
D．所生成的甲萘醌为沉淀物
二、填空题
11．关于合成氨工业，回答下列问题：
(1)来源有多种途径，试从原料易得的角度考虑举出其中适宜的三种反应的化学反应方程式并指出各反应的应用前景①________，②_______________，③___________________.
(2)氮气的来源①是______________，②是________________.
(3)合成氨反应的特点是①_________，②________，③________.
工业上合成氨选取用的适宜反应条件是__________________.
这些条件中既有利于加快反应速率，又有利于增大反应进行的程度的是_____________.
12．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：
2SO2+O2 2SO3 +Q
已知常压下平衡混合气中SO3的体积分数是91%.试回答：
(1)混合气通入接触室前必须经过净化除尘，是为了_________； (2)在生产中常用过量的空气是为了_______；(3)加热到400℃~500℃是由于________；(4)压强采用______，原因是______________；(5)常用浓硫酸来吸收SO3而不用水或稀硫酸，是因为_____________； (6)尾气中的SO2必须回收，是为了_______________；(7)目前工业上主要有3种吸收SO2的方法，试分别简述下列3种方法的优点：
①氨水吸收法________________________________________________________；
②生石灰吸收法__________________________________________；
③饱和亚硫酸钠溶液吸收法________________________________.
13．工业上氨氧化法制硝酸的反应如下：
①4NH3+5O2 4NO+6H2O+Q
②2NO +O2 2NO2 +Q
③3NO2+H2O 2HNO3+NO+Q
回答下列问题：
(1)反应①是放热反应，为什么选择高温条件?_______________；
(2)反应①中空气的用量是过量的，为什么不会生成NO2_______；
(3)反应②是在冷水冷却的管道中进行的，为什么要冷却至150℃以下?
________________________________________；
(4)反应③只能制得50%的硝酸，这是因为__________________；若要进一步制取更浓的硝酸应采取的方法是___________________.
(5)试通过反应③解释足量金属铜与浓硝酸反应为什么开始阶段放出红棕色气体，而后阶段却生成无色气体?__________________.
三、实验题
15．CuCl2溶液有时呈黄色，有时呈蓝色，这是因为在CuCl2溶液中存在如下平衡：
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[Cu(H2O)4]2+(蓝色)+4Cl-[CuCl4]2-(黄色)+4H2O
现欲使溶液由黄色变为黄绿色或蓝色，请写出两种可采用的方法：①_____________；
②___________________.
16．在水溶液中橙红色的Cr2O72-与黄色的CrO42-有平衡关系：
Cr2O72-+ H2O 2 CrO42-+2H+
把重铬酸钾(K2CrO7)溶于水配成稀溶液呈橙色.
①向上述溶液中加入NaOH溶液，溶液呈_______色，因为_____；
②向已加入NaOH溶液的①中再加入过量的稀硫酸，则溶液应呈_____色，因为_____________；
③向原溶液中加入硝酸钡溶液生成黄色的BaCrO4 沉淀，则平衡向_____方向移动，溶液颜色将___________.
17．合成氨工业中，原料气(N2、H2、及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料中的CO，其反应为：
[Cu(NH3)2]Ac + CO + NH [Cu(NH3)3]Ac·CO + Q
(1)必须除去CO的原因是____________________________.
(2)醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件是______________.
(3)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当的处理又可再生，恢复其吸收能力以供循环使用.醋酸铜氨盐再生的适宜条件是__________.
四、计算题.
18．在一定条件下，下述反应达到平衡：CO(g)+2H2 CH3OH(g)，若以m表示反应前H2与CO的物质的量之比，α表示CO的转化率，y表示平衡混合物中CH3OH的体积分数，试推导出y=f(α，m)的数学表达式.
19．将N2和H2按一定的体积比混合，在相同状态下混合气的密度是H2的3.6倍.取0.5mol该混合气体盛入密闭容器内，使之发生反应并在一定条件下达到平衡.已知反应达到平衡后容器内压强是相同条件下反应前的0.76倍.试求：
(1)反应前混合气体中N2和H2的体积比.
(2)达到平衡后混合气体中氨的物质的量.
(3)求平衡时N2的转化率.
守恒法（质量、元素）、差量法、极限法
阿伏加德罗定律、
【针对性训练1－3参考答案与提示】：
一、
1.D； 2.C；
3.D(提示：四个反应均是利用了控制适宜的温度这一原理.其中反应(1)的温度达到或略高于HClO4沸点， 而H2SO4不挥发， 减小了体系中HClO4
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浓度，平衡向正反应移动；反应(2)和(3)控制温度分别为K和Rb的沸点，使得只有K和Rb呈气态逸出体系，促使平衡向正反应方向移动；反应(4)利用了KNO3的溶解度随温度降低而急剧减小，NaCl的溶解度受温度影响很小.故将原料配成热的浓溶液后，在冰水或冷水浴中降温即有大量的KNO3晶体析出.)
4.B；(提示：考虑反应不易发生，必须使用催化剂，也就要适宜的温度，使催化剂的活性最大.)
5.CD；(提示：A、B反应在常压下进行的速率较大，不加压，而C、D反应较难进行，加压有利于增大反应速率和反应进行的程度 .)
6.A；7.C；
8.A；(提示：题目并未规定起始时反应的体积比，设起始时H2为aL，N2为bL，平衡时生成NH3为xL，根据平衡关系计算出x／(a+b)=1/5.)
9.D；(提示：体积不变，相当于加压，各物质的物质的量浓度均增大，平衡向正移动，速率增大，SO2的转化率增大，其体积分数减小.)
10.B；(提示：有机反应多数是可逆反应，增加氧化剂是有利于正反应的进行，故A不是原因；由于正反应为放热反应，加热平衡向逆移动，减小产率，故B是原因；催化剂不改变反应进行的程度，不会影响产率，故C不是原因；生成沉淀有利于正反应的进行，产率应提高，故D不是原因.)
二、
11.(1)①红热的焦炭与高温的水蒸气反应：C+H2O CO+H2 ，
CO+H2O CO2+H2 ，除去CO2(如制NH4HCO3等)后得氢气，此法优点是原料广，成本低，仍是今后工业生产氢气的主要途径.
②利用天燃气和石油等烃的裂解或与水在催化剂和加热条件下反应制氢气： 如CH4 C+2H2 CH4+2H2O 4H2+CO2 ，此法适合于在天然气产地生产，可以部分解决将来煤不足的问题.
③利用太阳能转化为电能，电解水制氢气：2H2O 2H2+O2 ，此法目前受电能不充足的限制，经济上不如前二种方法，但将来随着太阳能利用成本的降低，电解水会成为永久解决制氢气问题的理想途径.
(2)①将空气先降温高压液化，再减压蒸发出氮气，同时分离出氧气.②将空气中的氧气跟碳作用，生成二氧化碳，再除去二氧化碳得氮气.
(3)①N2性质很稳定，一般条件下不易参加化学反应；②合成氨反应是一个气体体积缩小的可逆反应，加压有利于加快反应速率并增大反应程度 ；③合成氨反应是一个放热反应，温度过高只有利于加快反应速率，不利于增大反应程度 .
压强为2×107~5×107Pa，温度为500℃左右，铁触媒催化剂.
高压.
12.(1)防止催化剂中毒；(2)增大O2浓度，提高SO2的转化率；(3)加快反应速率，缩短达到平衡的时间；500℃时铁触媒的催化效果最好.(4)常压；因为常压下SO3的产率已高达91%，加压不利于连续通入过量的空气，且对设备和动力要求高，成本大.(5)用水或稀硫酸吸收易产生大量酸雾，吸收速率慢；(6)减少对空气的污染. (7)①生成硫酸铵和硫酸氢铵，可以再加入硫酸，回收SO2；②生成硫酸钙，可以制成石膏产品；③生成亚硫酸氢钠，在隔绝空气的条件下加热亚硫酸氢钠固体，可以回收二氧化硫，并生成亚硫酸钠循环利用.
13.(1)加快反应速率，在1000℃时铂铑催化剂的催化活性最大； (2)因为温度高于150℃
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时反应②平衡向逆移动，NO2完全分解，不能生成NO2 ； (3)反应②是放热反应，降低温度平衡向正移动，有利于生成NO2；(4)常温下，当硝酸浓度达到50%时，反应③达到平衡状态，硝酸的浓度不再改变；向50%的硝酸中加入浓硫酸或硝酸镁作吸水剂，加热蒸馏可制得更浓的硝酸.(5)开始时硝酸浓度>50%，若生成NO气体，则反应③平衡向逆移动 ，故只能生成红棕色NO2气体；当反应进行到硝酸的浓度<50%时，若生成NO2气体，则反应③平衡向正移动 ，故只能生成无色NO气体.
三、
15.①加水；②加AgNO3溶液.
16.①黄；OH－中和H+生成水，减小生成物浓度，平衡向正反应方向移动.②橙红；增大生成物[H+]，平衡向逆反应方向移动.③正反应；变为无色.
17.(1)防止CO使催化剂中毒.
(2)加压、适当降温、增大[Cu(NH3)2]Ac的浓度.
(3)加热、减压.
四、
18.解： CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)
起始物质的量(mol) 1 m 0
改变量(mol) a 2a a
平衡量(mol) (1－a) (m－2a) a
有：a／[(1－a)+(m－2a)+a]=y
故y= ×100%
19.(1)1：4；(2)0.12mol；(3)60%
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