2019-2020学年高中化学 第1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

课题2人工固氮技术——合成氨1．理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。2．了解合成氨生产的一般流程和反应原理、反应条件等。3．通过合成氨的学习，体现化工生产的过程，体现实验室研究与实际生产之间转化过程。氮的固定指的是将游离态氮转变为化合态氮的方法。一、合成氨的反应原理1.如下图为合成氨的实验装置加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氮气的混合气体，可以看到湿润的pH试纸变蓝色。2.用氢气和氮气合成氨的化学反应方程式是N2＋3H2高温、高压催化剂2NH3，属放热反应。3.工业上，采用以铁为主的催化剂，在400～500℃和10～30MPa的条件下合成氨。工业合成氨的反应特点是什么？提示：(1)体积减小的反应；(2)放热反应；(3)反应条件为高温、高压、催化剂。二、合成氨的基本生产过程1.制备合成氨的原料气(1)制取N2：物理方法为将空气液化，蒸发分离出氧气。化学方法为碳在空气中燃烧，O2充分反应后除去CO2制取氮气。(2)制取H2：①用水蒸气通过赤热的煤层，使水蒸气与碳反应制得。主要反应为C＋H2O===CO＋H2。②也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气中的碳氢化合物与水蒸气在催化剂作用下制备。主要反应为CH4＋H2O===3H2＋CO，CH4＋2H2O===4H2＋CO2。2.原料气净化处理(1)原料气净化的原因是有些杂质可使催化剂“中毒”。(2)用稀氨水吸收H2S杂质：NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O。(3)使CO变成CO2：CO＋H2O===CO2＋H2。(4)除去CO2(用K2CO3溶液吸收)：K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。3.将原料气合成氨与分离从合成塔出来的混合气体，氨气占总体积的15%，要把混合气体通过冷凝器、分离器，再导入液氨贮罐。三、合成氨工业的发展1.原料及原料气的净化原料气之一的氮气来自空气，目前氢气主要通过不同的固态(煤和焦炭)、液态(石油中提炼的石脑油、重油)、气态(天然气、焦炉气)可燃物为原料制取。2.催化剂的改进多年来一直用磁铁矿作催化剂，目前有采用钌为基础活性物质的新型催化剂。3.环境保护(1)废渣：可用作原料。(2)废气：主要是H2S和CO2等有害气体，对H2S的处理，可用直接氧化法(选择性催化氧化)、循环法(用溶剂吸收浓缩)，CO2可用来生产尿素和碳铵等。(3)废液：主要是含氰化物和含氨的污水，处理含氰化物污水主要有生化、加压水解、氧化分解、化学沉淀、反吹回炉等方法。处理含氨废水可用蒸馏的方法回收，也可用离子交换法治理。1.合成氨所需的原料是()①水②空气③焦炭④铁触媒A．①②B．②③C．①②③D．全部解析：选C。铁触媒是合成氨的催化剂，不属于原料。2.合成氨工业中控制的反应条件应()A．温度越高越好B．压强越大越好C．混合气体中氢气含量越高越好D．所选的催化剂活性越大越好解析：选D。工业合成氨的热化学方程式：N2(g)＋3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，似乎压强越大就越有利于平衡向合成氨的方向移动，温度越高达到平衡的时间就越短，易错选A或B。实际上在合成氨的工业生产中，压强不能太大，否则能耗太高，并且对设备的要求高。而根据化学平衡移动原理，此反应温度越低越有利于平衡向正方向移动，但温度太低，则催化剂的催化活性不能很好地发挥，反应速率太慢；为解决上述矛盾，一般选择使催化剂活性最大时的温度。3.为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中具有开发价值的是()A．研制高温下活性较大的催化剂B．寻求NH3的新来源C．研制低温下活性较大的催化剂D．研制耐高温高压的新型材料建造合成塔解析：选C。合成氨的反应是放热反应，降低温度有利于提高合成氨的生产效率。要点合成氨工业生产及适宜条件的选择探究导引运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素如何选择合成氨的适宜生产条件？提示：(1)增加N2的比例。(2)一般采用的压强在10～30MPa之间。(3)以500℃左右为宜。而且在此温度下催化剂活性最大。(4)铁触媒为催化剂。1.反应原理N2(g)＋3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g)(放热反应)2.基本生产过程(1)造气①N2：来源于空气。②H2：C＋H2O=====高温CO＋H2，CH4＋H2O=====高温催化剂CO＋3H2。(2)净化①除去H2S：NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O。②除去CO：CO＋H2O=====高温H2＋CO2。③除去CO2：K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。(3)合成：使原料气进行化学反应合成氨。及时分离出氨气，剩余气体再送回合成塔，循环利用。(4)“三废”处理①废渣：主要是煤渣和炭黑，可用作肥料的原料和建筑材料。②废气：主要是H2S和CO2等有害气体。H2S可用直接氧化法、循环法等回收技术处理，CO2可作为生成尿素和碳铵的原料。③废液：主要是含氰化物和含氨的污水。处理氰化物主要有生化、化学沉淀、反吹回炉等方法。处理含氨的废水可用蒸馏回收和离子交换等方法。3.适宜条件的选择要考虑实际生产中的动力、材料、设备等因素，以取得最佳经济效益。(1)压强增大压强化学反应速率增大平衡向正反应方向移动⇒压强越大越好，但受动力、材料、设备限制⇒10MPa～30MPa(2)温度升高温度化学反应速率增大平衡向逆反应方向移动⇒采取适宜的温度催化剂在500℃时活性最高⇒400℃～500℃(3)催化剂使用催化剂可加快化学反应速率，但不影响化学平衡⇒采用以铁为主的催化剂。(4)循环操作合成氨转化率较低，要采用循环操作。混合气体通过冷凝器，使氨液化，将氨分离出来，并将没有完全反应的N2和H2经过循环压缩机，再送入合成塔，使其被充分利用。(1)合成氨原料中的氮气来源广泛，扩大氢气原料的来源以降低成本。(2)反应过程中的工艺条件常决定于催化剂的性能。研究高效的新型催化剂，以改变反应条件。利用天然气合成氨的工艺流程如图所示：依据上述流程，完成下列填空：(1)天然气脱硫时的化学方程式是__________________________________。(2)nmolCH4经一次转化后产生CO0.9nmol，产生H2________mol(用含n的代数式表示)。(3)二次转化的主要原因一是______________________，二是____________________。(4)K2CO3(aq)和CO2反应在加压条件下进行，加压的理论依据是____________。a．相似相溶原理b．勒夏特列原理c．酸碱中和原理(5)由KHCO3分解得到的CO2可以用于_________________________________。(6)整个流程有三处循环，一是Fe(OH)3循环，二是K2CO3(aq)循环，请在上述流程图中指出第三处循环(循环方向、循环物质)______________。解析：根据框图写反应的化学方程式时，一定要看清框图中的反应物和生成物是什么、反应的条件如何等重要信息。计算时也必须根据反应的化学方程式进行。循环物质肯定是反应不完全时的剩余物，只有可逆反应才不能完全进行。(1)脱硫过程是H2S跟Fe(OH)3反应，生成Fe2S3、H2O，已知反应物、生成物，不难写出化学方程式。(2)CH4一次转化的方程式为：CH4＋H2O=====高温CO＋3H2由产生0.9nmolCO知产生3×0.9nmolH2。(4)反应方程式为K2CO3(aq)＋CO2(g)＋H2O(l)2KHCO3(aq)，加压可促进上式右移，故运用的是勒夏特列原理。(5)CO2的用途较多，如制汽水、可乐、干冰等。(6)N2、H2合成氨后，未转化的N2、H2可循环利用。答案：(1)3H2S＋2Fe(OH)3===Fe2S3＋6H2O(2)2.7n(3)使CH4充分转化为CO和H2提供合成氨所用的N2(4)b(5)制汽水、做干冰、生产纯碱等(6)N2、H2――→合成N2、H2、NH3N2、H2题型合成氨工艺流程某合成氨工厂工艺流程如图，试回答相关问题。(1)不同的原料生产氢气其经济指标如表：天然气石脑油重油煤焦油投资/亿元5.66.58.0/能源/GJ·t－1(NH3)28～3035.541.854.4成本/元·t－1(NH3)257390～447220～280500从上表数据及自然资源来看最具发展前景的是________。A．天然气B．石脑油C．重油D．煤焦油(2)脱硫工艺一般是通过金属氧化物来实现的，通过三步反应最后再生成金属氧化物，并得到单质硫。①RxOy＋zH2S＋(y－z)H2===RxSz＋yH2O②RxSz＋(y2＋z)O2===RxOy＋zSO2③__________________________________。(3)气体的精制经净化的气体仍有少量的CO有害气体。常用的除去CO的方法有铜洗法和甲烷化法。铜洗法的原理：CO(g)＋CH3COOCu(NH3)2(aq)＋NH3(l)CH3COO[Cu(NH3)3CO](aq)ΔH＜0；反应在铜洗塔中进行，吸收后的铜液送到再生器中，在再生器中解吸CO，适宜条件是______________，解吸后铜液循环使用。甲烷化法则是把CO、CO2转化为对氨合成无害的CH4，主要反应是CO(g)＋3H2(g)催化剂CH4(g)＋H2O(g)ΔH＜0，甲烷化法的适宜条件是：____________________。【思路点拨】解答此题注意以下两点：(1)发展前景一方面从成本比较，另一方面还要比较能源消耗，综合两者天然气更具前景。(2)补充方程式的关键是理解题意，最后生成金属氧化物和硫单质。【解析】本题考查了平衡原理在工业生产中的应用。反应②中生成SO2，要将SO2转化成硫单质。金属硫化物中硫显－2价，SO2中硫显＋4价，通过两者归中反应可制得硫。(3)将CO解吸出来，要使平衡向逆反应方向移动，因此需要的条件是减压和加热；甲烷化平衡需正向移动，即条件为高压和适当温度。【答案】(1)A(2)RxSz＋y2SO2===RxOy＋(z＋y2)S(3)减压和加热高压和适当温度1.下列关于催化剂的说法，正确的是()A．催化剂能使不起反应的物质发生反应B．在化学反应前后催化剂化学性质和质量都不改变C．催化剂能改变化学反应速率和相应物质的转化率D．在化学反应过程中，催化剂质量和化学性质都改变解析：选B。催化剂的种类有多种，根据不同的目的和不同的化学反应而采用不同的催化剂，催化剂在反应前后的化学性质和质量均不发生变化。并不是所有的不反应的物质加入催化剂均能反应，还要根据物质本身的性质。2.对于可逆反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＜0，下列说法正确的是()A．达到平衡时反应物和生成物浓度一定相等B．恒温恒压时达到平衡后加入氨气，重新达到平衡时，氨气的浓度比原平衡时减小C．达到平衡时，升高温度加快了吸热反应的速率，降低了放热反应的速率，所以反应向逆反应的方向移动D．加入催化剂可以缩短到达平衡的时间，这是因为加快了正反应的速率，而减慢了逆反应的速率解析：选B。对于可逆反应，达到平衡时反应物和生成物的浓度为一定值，但不一定相等，A错；升高温度可以同时加快正逆反应速率，对于吸热反应，正反应速率比逆反应速率增大的要快，所以反应向正反应方向移动，C错；加入催化剂可以同等程度的改变正逆反应速率，D错。3.下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是()A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反应D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率解析：选B。A项使用催化剂对平衡无影响；C项500℃时催化剂活性最好；D项采用循环操作提高原料利用率与平衡移动无关。4.化工生产中，为加快反应速率应优先考虑的措施是()A．选用适宜的催化剂B．采用高压C．采用高温D．增大反应物浓度解析：选A。化工生产中应首先考虑的是生产成本，因此应先考虑使用催化剂，提