2022年高中化学 主题1 空气资源 氨的合成 课题2 氨的工业合成教案 鲁科版选修2

2022年高中化学 主题1 空气资源 氨的合成 课题2 氨的工业合成教案 鲁科版选修2课标要求1了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义。2认识催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义。课标解读 1.能根据合成氨反应的特点，依据勒夏特列原理选择适合氨合成的反应条件。2明确合成氨工业流程以及各设备的作用或反应原理。教学地位合成氨工业是课程标准中明确要求的内容，也是高考的高频考点，尤其是化学平衡移动原理在合成氨反应中的应用。合成氨适宜条件的选择、工艺流程中各环节的操作等更是高考的热点。新课导入建议教学流程设计课前预习安排：看教材P610，填写课前自主导学，并完成思考交流。步骤1：导入新课，本课时教学地位分析。步骤2：建议对思考交流进行提问，反馈学生预习效果。步骤3：师生互动完成探究1，可利用问题导思、的设问作为主线。步骤7：通过例2和教材P810“如何获得大量廉价的原料气”讲解研析，对“探究2、合成氨的生产工艺及原料气的制备”中注意的问题进行总结。步骤6：师生互动完成“探究2”，利用问题导思、的设问作为主线。步骤5：指导学生自主完成变式训练1和当堂双基达标第1、2、5题。步骤4：通过例1和教材P68“探究合成氨的最佳条件”的讲解研析，对“探究1、合成氨条件的选择”中注意的问题进行总结。步骤8：指导学生自主完成变式训练2和当堂双基达标中的3、4题。步骤9：引导学生自主总结本课时知识框架，然后对照课堂小结。安排课下作业完成课后知能检测。课标解读重点难点1.认识合成氨的反应原理和特点，并能依据化学反应速率和化学平衡原理综合考虑合成氨生产中的相关因素，选择合成氨反应的最佳条件。2.知道获得大量廉价的氢气是实现合成氨生产的关键问题，知道合成氨工业原料氮气和氢气获得的途径和方法，能够写出相应的化学方程式。3.能根据合成氨反应的特点分析氮气和氢气不能完全转化的原因，知道循环法使未转化的氮气和氢气得到利用的原理和方法。4.知道选择适宜的反应条件、确定原料路线、解决未转化完全的原料气的利用是合成氨生产中的主要技术问题。1.合成氨反应的特点：(1)可逆反应；(2)放热反应；(3)气体体积缩小的反应。(重点) 2.合成氨适宜条件的选择：(1)高压；(2)适当温度；(3)催化剂。(重点)3.勒夏特列原理在合成氨反应中的应用。(重难点)4.合成氨工艺流程。(重点)探索合成氨的最佳条件1.合成氨反应的化学方程式：N23H22NH3。2合成氨反应的特点：(1)可逆反应；(2)放热反应；(3)气体总体积缩小的反应。3合成氨最佳条件的选择(1)理论分析从化学反应速率的角度看，升温、加压以及使用催化剂都可以使合成氨的化学反应速率增大。从化学平衡的角度看，平衡混合气中氨的含量随着温度的升高而降低，随压强的增大而提高。这说明温度、压强对这一反应的化学平衡有影响：降温、增压有利于氨的合成。(2)实际生产中的最佳条件合成氨一般选择以铁触媒为催化剂，压强在2050_MPa之间，温度在500_左右。1合成氨反应为放热反应，在低温下有利于氨的合成，为什么实际上选用了500 C的高温？【提示】目前，合成氨工业中普遍使用的主要是以铁为主体的多组分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500 C左右时的活性最大，这也是合成氨反应一般选择在500 C左右进行的重要原因之一。如何获得大量廉价的原料气1.获得氮气的方法：分离空气。2获得氢气的方法方法反应原理电解水法2H2O2H2O2煤或焦炭法CH2OCOH2天然气或重油法CH4H2OCO3H2COH2OCO2H22评价上述几种制氢方法，你认为哪种方法是最佳选择？【提示】电解水制氢气，电能消耗大，成本高；天然气与煤相比较，天然气输送方便、投资省、能耗低。所以用天然气做合成氨的原料为最佳选择。怎样利用未转化的氮气和氢气 在实际生产中采用了循环法，先通过冷凝把氨从合成塔出来的混合气中分离出来，余下未反应的氮气和氢气的混合气用循环压缩机重新送入合成塔进行反应，同时不断地补充新鲜的原料气，这样氨的合成就形成了一个循环流程，使氮气和氢气得到充分利用。合成氨条件的选择【问题导思】合成氨工业生产的要求是什么？【提示】a反应有较大的反应速率；b.最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。影响化学平衡移动的外界因素有哪些？【提示】温度、浓度、压强。合成氨实际生产中采用高温、高压、催化剂，其中有利于提高平衡混合物中NH3的百分含量的因素有哪些？【提示】高温不利于平衡正向移动；催化剂对化学平衡无影响；高压利于平衡正向移动，能提高平衡混合物中NH3的百分含量。1合成氨生产的要求合成氨工业要求：反应要有较大的反应速率；要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。2合成氨条件的选择依据运用化学反应速率和化学平衡移动原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。3合成氨条件的理论分析(1)浓度：因为增大反应物浓度，能提高反应速率和使平衡正向移动，故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率。因此生产中常适当增加N2的比例。(2)压强：无论从反应速率还是化学平衡考虑，压强越大越有利于合成氨。但压强太大，动力消耗大，设备的质量和制造水平要求高，故必须综合考虑。目前我国合成氨厂一般采用的压强在2050 MPa之间。(3)温度：对于放热反应，升温可提高反应速率，但转化率降低，若温度太低，反应速率又太慢，综合考虑以500 左右为宜。而且在此温度下催化剂活性最大。(4)催化剂：加快反应速率但不影响平衡，可以提高单位时间内氨的产量。目前工业上多采用以铁为主的催化剂。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：使原料气中n(N2)n(H2)13；将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后送入合成塔再次利用；及时将NH3从平衡混合物中分离出来。合成氨时既要使氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是()减压加压升温降温及时从平衡混合气中分离出NH3补充N2或H2加催化剂减小N2或H2的量ABC D【解析】合成氨反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0的特点为：可逆、放热、气体分子总数减小。加压、升温、增加N2或H2浓度，使用催化剂均能加快反应速率；加压、降温、及时分离出NH3、增加c(N2)和c(H2)均有利于平衡正向移动，增大氨的产率。【答案】C改变外界条件加快反应速率时，不一定使化学平衡正向移动；改变外界条件使化学平衡正向移动时，化学反应速率不一定加快。1合成氨工业中，为实现增加NH3的日产量的目的而采取下列措施，其中与平衡移动无关的是()不断将NH3分离出来使用催化剂采用500 C左右的温度采用21075107 Pa的压强ABCD【解析】由N23H22NH3的特点可知，高温平衡左移不利于NH3的生成，催化剂与平衡移动无关，而高压和减小NH3的浓度均使平衡右移。【答案】B合成氨的生产工艺及原料气的制备【问题导思】合成氨生产中需要的原料气是什么？【提示】氮气和氢气。如何获得合成氨原料气？【提示】获得N2的方法：来自空气，分离方法有深冷分离、变压吸附、膜分离。获得H2的方法：电解水，由煤或焦炭制H2、由天然气或重油制H2。如何能提高合成氨工业中原料气的利用率？【提示】使平衡正向移动：加压、不断分离出NH3、将N2、H2循环利用。1工艺流程2氮气的制备(1)物理方法：将空气用深冷分离、变压吸附分离或膜分离制得N2和O2。(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。3氢气的制造合成氨原料来源的关键是如何获得大量廉价的氢气。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。(xx东莞高二调研)下图是工业合成氨及与之相关的工艺流程图。仔细阅读、分析上述框图，并解答下列问题：(1)写出、的操作方法：_、_。(2)写出A、B两个化学方程式：A_、B_。(3)、的气体成分相同吗？_。(4)节能降耗势在必行，也是工业发展的命脉。就上述工艺流程框图，指出该框图中的一条符合节能降耗宗旨的措施：_。【解析】(1)工业合成氨的氮气原料来自于空气，传统的空气分离方法是降温、加压而液化，然后升温精馏分离，这种方法叫深冷分离，现在工业上也常采用膜分离技术。(2)合成氨的氢气多来自石油、天然气，目前也多采用煤的综合利用，如煤的液化操作；工业合成氨采用的条件是高温、高压和催化剂。(3)进入热交换器的是温度较高的氨气、氮气和氢气混合气体，而从其中出来的仍然是这些气体，不同的是温度降低了。(4)工业生产往往采用循环利用原料、热量，采用废物利用来提高经济效益，从而达到节能降耗的目的。【答案】(1)液化(或答“深冷分离”、“膜分离”都可以)冷凝(2)CH2O(g)COH2或CH4H2O(g)CO3H2或CH42H2O(g)CO24H2(写出其中任何一个即可)3H2N22NH3(3)相同(4)液化分离液氨后的氮气和氢气循环利用(或答“热的氨气、氢气和氮气混合气体与冷的氮气、氢气混合气体进行热交换”)(答出任意一条即可)2下面是合成氨的简要流程示意图：沿X路线回去的物质是()AN2和H2B催化剂CNH3 DH2【答案】A【教师备课资源】氨气的危害氨气可麻痹呼吸道纤毛和损害黏膜上皮组织，使病原微生物易于侵入，减弱人体对疾病的抵抗力。氨被吸入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸闷、呼吸困难，可伴有头痛、恶心、呕吐等症状，严重者可发生肺水肿，成人呼吸窘迫综合症，同时可能发生呼吸道刺激症状。在合成氨反应中，进入合成塔的气体体积比为N2H2NH36181，从合成塔出来的气体体积比为N2H2NH39278，则H2的转化率为_。【解析】设进入合成塔的N2、H2、NH3的物质的量分别为6 mol、18 mol、1 mol，反应转化的N2物质的量为x，则：N23H22NH3起始量 6 mol 18 mol 1 mol转化量 x 3x 2x平衡量 6 molx 18 mol3x1 mol2x(6 molx)(18 mol3x)(1 mol2x)9278解得：x1.5 mol所以转化的H2的物质的量为4.5 mol，H2的转化率为100%25%。【答案】25%1熟记合成氨反应的1个化学方程式：N23H22NH3。2明确合成氨反应的3个特点：(1)可逆反应；(2)放热反应；(3)气体总体积减小的反应。3知道合成氨2种原料气的获得方法：氮气分离空气；氢气煤或焦炭法、天然气或重油法。4理解工业合成氨的3个条件。(1)500 ；(2)2050 MPa；(3)铁触媒作催化剂。1在合成氨反应N23H22NH3中，在下列情况下，不能使化学反应速率增大的是()A加入氮气 B加入合适的催化剂C减小压强，扩大容器体积 D适当升高温度【解析】加快反应速率的外界条件有：升高温度、增大压强(有气体参加的反应)、增大反应物浓度、使用催化剂等。【答案】C2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，将N2和H2混合有利于合成氨B高压比常压条件更有利于合成氨C450 左右比室温更有利于合成氨D合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率【解析】勒夏特列原理运用范围，就是能使已平衡的可逆反应发生平衡移动的一些因素。选项A中催化剂不能使平衡移动；选项B中加压可使合成氨反应正向移动；选项C中高温不利于合成氨，只能加快反应速率，另外，450 左右铁触媒活性最大；选项D中，循环使用，不涉及平衡移动问题。【答案】B31908年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是()A BC D【解析】合成氨反应为气体分子总数减少的放热反应，操作是为了除去杂质，防止催化剂中毒；增大压强，有利于该反应向右进行，能够提高转化率；催化剂只能加快反应速率，不影响化学平衡，故不能提高转化率；将产物NH3液化分离和循环操作，均能使原料更充分地利用，提高原料的转化率。【答案】B4在可逆反应X2Y2Z(吸热)中，X、Y、Z是三种气体，为了有利于Z的生成，应采用的反应条件是()A高温高压 B高温低压C低温高压 D低温低压【解析】X2Y2Z(吸热)反应的特点是：(1)可逆反应；(2)气体总体积减小的反应；(3)吸热反应。根据勒夏特列原理可知，高温高压有利于化学平衡正向移动，即利于Z的生成。【答案】A5氨的合成是一个可逆反应，其正反应是放热的、气体总体积缩小的反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)填表说明反应条件的改变对这一反应速率的影响和对平衡混合气中氨含量的影响。条件的改变对合成氨反应速率的影响对平衡混合物中氨含量的影响增大压强降低温度使用催化剂【答案】条件的改变对合成氨反应速率的影响对平衡混合物中氨含量的影响增大压强加快增多降低温度减慢增多使用催化剂加快无影响1合成氨工业上采用循环操作主要是为了()A加快反应速率B提高NH3的平衡浓度C降低NH3的沸点D提高N2和H2的利用率【解析】循环操作后增大了反应物N2和H2的浓度，加快了反应速率，提高了NH3的平衡浓度，但主要是提高N2和H2的利用率，不至于浪费原料。【答案】D2合成氨过程中为提高原料氢气的转化率而所采取的下列措施中不正确的是()A不断将NH3分离出来B使用过量的N2C采用高温 D采用高压【解析】由N23H22NH3的特点可知，高温平衡左移不利于提高H2的转化率。高压和减小NH3的浓度均使平衡右移。使用过量的N2有利于提高H2的转化率。【答案】C3对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，下列叙述中正确的是()A都能提高反应速率，都对化学平衡无影响B都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间C都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响D催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用【解析】对化学反应N23H22NH3，催化剂只能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的反应方向移动。【答案】C4一氧化碳和氢气可以合成甲醇，反应：CO(g)2H2(g)CH3OH(g)(正反应放热)。为了增加甲醇的单位时间产量，工厂应采取的正确措施是()A高温、高压B低温、高压、催化剂C低温、高压D适宜温度、高压、催化剂【解析】CO(g)2H2(g)CH3OH(g)反应的特点是：(1)可逆反应；(2)放热反应；(3)气体总体积减小的反应。若为了增加甲醇的单位时间产量，则需要反应速率快且反应最大限度的正向进行，故采用高压、适宜温度、催化剂。【答案】D5反应C(s)H2O(g)CO(g)H2(g)在一可变容积的密闭容器中进行，下列条件的改变对其反应速率几乎无影响的是()增加C的量将容器的体积缩小一半保持体积不变，充入N2使体系压强增大保持压强不变，充入N2使容器体积变大A BC D【解析】增加固体的量、恒容时充入与反应无关的气体，都对反应速率无影响。相当于减压，反应速率减小。【答案】C6合成氨反应达到平衡时，氨气的百分含量与温度、压强的关系如图所示。根据此图，判断合成氨工业最有前途的研究发展方向是()A研究耐高压的合成塔B研制低温催化剂C提高分离技术D探索不用氢氮合成氨的新途径【答案】B7用焦炭、空气、水为原料制备NH3，则参加反应的焦炭与产品氨气之间的物质的量之比为()A34 B32C23 D12【解析】由反应：CH2O(g)COH2，COH2O(g)CO2H2，N23H22NH3可得：C2H2NH3。【答案】A82 mol气体A与3 mol气体B在一定条件下发生反应：A(g)3B(g)2C(g)(放热)，达到平衡时，B转化率为50%，则A转化率为()A50% B40%C30% D25%【解析】由A(g)3B(g)2C(g)可知，n(A)转化n(B)转化3 mol50%0.5 mol，则A的转化率为100%25%。【答案】D9将V1L的H2和V2L的N2在一定条件下发生反应，达到平衡后，混合气体总体积为V3L(气体体积均在相同条件下测定)，则生成NH3的体积是()A(V1V2V3)L B(V1V2V3)LC(V1V22V3)L DV3(V1V2)L【解析】根据差量法计算。由N23H22NH3，可知NH3V(减少)，因V(V1V2V3)L，故V(NH3)V(V1V2V3)L。【答案】B10一定温度下，向密闭容器中充入1.0 mol N2和3.0 mol H2，反应达到平衡时，测得NH3的物质的量为0.6 mol。若在该容器中开始时N2的物质的量为2.0 mol，H2为6.0 mol，则平衡时NH3的物质的量为()A若为定容容器，n(NH3)1.2 molB若为定容容器，n(NH3)1.2 mol【解析】起始量为原来的二倍，若在定压容器中，平衡转化率不变，NH3的平衡量为原平衡的二倍；若在定容容器中，等效于二份原平衡混合气加压，转化率增大，NH3的平衡量大于原平衡的二倍。【答案】C11合成氨工业的主要反应为：N2(g)3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，回答下列问题。(1)原料N2不能用空气代替，而必须用纯N2，这是因为_。H2来自水和焦炭，有关的化学方程式为：_。原料气体必须经过净化的原因是_。(2)在合成塔中合成氨要在高温、高压和有催化剂的条件下进行，试分析各反应条件的作用：温度(500 )_。压强(5107Pa)_。催化剂(铁触媒)_。(3)从合成塔里出来的混合气体中含15%的氨。若N2和H2的转化率相等，则转化率为_。工业上采用_法将氨分离出来。【解析】(3)利用“三段式”进行分析。由于N2和H2转化率相等，则二者起始投料物质的量比为13。N2(g)3H2(g)2NH3始(mol) 1 3 0转化(mol) x 3x 2x平衡(mol) 1x 33x 2x则有100%15%x0.261转化率为100%26.1%。【答案】(1)空气中的O2与H2混合加热会发生爆炸C(s)H2O(g)CO(g)H2(g)，CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)除去原料气中的杂质，防止催化剂中毒(2)加快反应速率，缩短达到平衡的时间且催化剂在此温度下活性最大既加快反应速率，也能促使平衡向正反应方向移动，提高NH3在平衡混合物中的百分含量加快反应速率，缩短达到平衡的时间(3)26.1%冷凝12(xx三明高二检测)在以煤为主要原料的合成氨工业中，原料气氢气常用下述方法获得：CH2O(g)COH2；COH2O(g)CO2H2；(1)已知CO(g)1/2O2(g)=CO2(g)；H283.0 kJmol1；H2(g)1/2O2(g)=H2O(g)；H285.8 kJmol1；写出上述CO与H2O(g)反应的热化学方程式：_。(2)从反应混合物中分离出H2的方法通常是以碱液洗气，根据该工业生产的实际分析，最好选用下列哪种溶液作为吸收剂？_，理由是_。A氢氧化钠溶液B氨水C石灰水或石灰乳(3)在实验室模拟上述反应，830 时在1 L的容器中装入CO和H2O(g)各2 mol使之反应，达到平衡时测得容器中CO2的浓度为1 molL1，计算830 时该反应的平衡常数。【解析】(1)由已知条件，根据盖斯定律很容易写出CO与H2O(g)反应的热化学方程式。(2)混合气体中存在CO2，可用碱液除去，考虑到工业生产的实际情况，可选用氨水，因为生成的碳铵可做农作物肥料。(3)COH2O(g)CO2H2初(molL1): 2 2 0 0变(molL1): 1 1 1 1平(molL1): 1 1 1 1故平衡常数为：K1。【答案】(1)CO(g)H2O(g)=CO2(g)H2(g)H2.8 kJmol1(2)B该厂有丰富的氨水资源且吸收后形成碳铵，是一种化肥，可取得较好的综合效益(3)113利用天然气合成氨的工艺流程示意图如图所示：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)n mol CH4经一次转化后产生CO 0.9n mol，产生H2_mol(用含n的代数式表示)。(3)K2CO3(aq)和CO2的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(4)由KHCO3分解得到的CO2可以用于_(写出CO2的一种重要用途)。(5)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】(1)从图中看出，脱硫即除去H2S，加Fe(OH)3脱硫的生成物之一是Fe2S3，再应用质量守恒进行分析，可写出化学方程式。(2)CH4一次转化的化学反应方程式是CH4H2O(g)CO3H2，生成0.9n mol CO的同时生成2.7n mol的H2。(3)在K2CO3(aq)和CO2的反应中CO2是气体，加压必然是有关化学反应速率或化学平衡的问题，再分析三个选项可知，应选b。(4)CO2的用途较多，也是中学生应当熟悉的。(5)合成氨反应中，N2和H2的转化率较低，为了提高它们的转化率，在分离出NH3后再将N2和H2循环使用。【答案】(1)3H2S2Fe(OH)3=Fe2S36H2O(2)2.7n(3)b(4)制汽水、做干冰、生产纯碱等(5)N2，H2N2，H2，NH3N2、H214.合成氨工业对化学的国防工业具有重要意义。写出氨的两种重要用途_。.实验室制备氨气，下列方法中适宜选用的是_。固态氯化铵加热分解固体氢氧化钠中滴加浓氨水氯化铵溶液与氢氧化钠溶液共热固态氯化铵与氢氧化钙混合加热.为了在实验室利用工业原料制备少量氨气，有人设计了如下装置(图中夹持装置均已略去)。实验操作检查实验装置的气密性后，关闭弹簧夹a、b、c、d、e。在A中加入锌粒，向长颈漏斗注入一定量稀硫酸。打开弹簧夹c、d、e，则A中有氢气发生。在F出口处收集氢气并检验其纯度。关闭弹簧夹c，取下截去底部的细口瓶C，打开弹簧夹a，将氢气经导管B验纯后点燃，然后立即罩上无底细口瓶C，塞紧瓶塞，如图所示。氢气继续在瓶内燃烧，几分钟后火焰熄灭。用酒精灯加热反应管E，继续通氢气，待无底细口瓶C内水位下降到液面保持不变时，打开弹簧夹b，无底细口瓶C内气体经D进入反应管E，片刻后F中的溶液变红。回答下列问题：(1)检验氢气纯度的目的是_。(2)C瓶内水位下降到液面保持不变时，A装置内发生的现象是_，防止了实验装置中压强过大。此时再打开弹簧夹b的原因是_，C瓶内气体的成分是_。(3)在步骤中，先加热铁触媒的原因是_。反应管E中发生反应的化学方程式是_。【答案】.制化肥、制硝酸.(1)排除空气，保证安全(2)锌粒与酸脱离尽量增大氢气的浓度以提高氮气的转化率N2、H2(3)铁触媒在较高温度时活性增大，加快氨合成的反应速率N23H22NH3