高考化学总复习 第十三章 40 化学与工农业生产课件

第40讲化学与工农业生产 微考点大突破 微考点大突破 探微提能点点结合 一、化工原理在硫酸工业生产中的应用 1化学原理与硫酸工业生产流程微考点化学与工农业生产 基础微回扣 2生产中的“三废”处理 (1)尾气吸收。 H2SO4工业的尾气主要是SO2。 SO2Ca(OH)2= _ CaSO3H2SO4= _ (2)污水处理。不同化工生产过程产生的污水，杂质不同，要根据杂质的性质不同，采用不同的物理化学方法，如酸碱中和法、重金属离子沉淀法等。 (3)废渣的处理。根据废渣的成分进行综合利用。如硫酸工业的废渣可用来作为炼铁的原料、提炼贵重的有色金属、作水泥原料或用于建筑材料。CaSO4SO2H 2O CaSO3H 2O CO3H 2 COH 2 空气 2K H CO3 NH 4H SH 2O H 2CO2 (4)“三废”处理。废渣：主要是煤渣和炭黑，可用作肥料的原料和建筑材料。废气：主要是H2S、SO2和CO等有害气体。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。废液：主要是含氰化物和氨的污水。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。 三、几种氮肥的比较 氮肥生产原理肥效及优缺点NH4Cl NH3HCl=NH4Cl含氮量为36.2%NH4HCO3 NH3H2OCO2= NH4HCO3速效、吸收快、不稳定，受潮、受热易分解，含氧量为17.7%NH 4NO3 4NH35O2PtRh 4NO6H2O2NOO2=2NO23NO2H2O=2HNO3NONH3HNO3= NH4NO3肥效高、含氮量为35%，易结块(NH4)2SO4 2NH3H2SO4=(NH4)2SO4长期使用会使土壤板结，酸性增强 四、精细化学品的特点及应用 1精细化工产品的生产特点多品种小批量；综合生产流程和多功能生产装置；高技术密集；商品性强。 2精细化工在社会发展中的作用 (1)精细化工的发展，促进了其他行业如农业、医药、纺织印染、皮革、造纸等衣、食、行和用水平的提高，同时为这些行业带来了经济效益的提高。 (2)精细化工的发展，为生物技术、信息技术、新材料、新能源技术、环保等高新技术的发展提供了保证。 (3)精细化工的发展，直接为石油和石油化工三大合成材料(塑料、合成橡胶和合成纤维)的生产及加工、农业化学品的生产，提供催化剂、助剂、特种气体、特种材料(防腐、耐高温、耐溶剂)、阻燃剂、膜材料、各种添加剂、工业表面活性剂、环境保护治理化学品等，保证和促进了石油和化学工业的发展。 (4)精细化工的发展，提高了化学工业的加工深度，提高了化工生产的经济效益。 (5)精细化工的发展，提高了国家化学工业的整体经济效益，增强了国家的经济实力。 3常见精细化工产品化妆品、医药、农药、洗涤剂、表面活性剂、造纸和汽车工业所需化学品、水处理剂等。 化工生产中的绿色化学中学化学中涉及的化工生产知识渗透绿色化学的观点，具体体现在以下几个方面： (1)节省资源，提高原料转化率和利用率。例如在合成氨工业，硝酸工业，接触法制硫酸，联合制碱法等工艺流程中采取了循环操作，体现了绿色化学中节省能源的基本原理。 (2)尾气回收方法和处理装置以防止或减少环境污染。例如：氨氧化法制硝酸、接触法制硫酸、炼钢、炼铁等均要有尾气处理或吸收装置。 (3)设计新的化学反应条件，降低对人类健康和环境的危害，减少废弃物的产生和排放。例如无氰电镀，由乙炔制乙醛，工业生产中使用非汞催化剂。 我的警示 (1)使用催化剂不影响氨的产率，但能提高单位时间内氨的产量。催化剂对反应有选择性，容易误认为一定的催化剂对所有反应都有催化作用。 (2)温度的选择，兼顾三个方面：反应速率、氨的产率、催化剂活性。容易漏答。 (3)易误认为压强不能过大的原因是考虑反应速率或氨的产率，实际上是从生产成本上考虑的。 判断正误，正确的画“”，错误的画“”。 1工业合成氨中从合成塔出来的气体分离出氨气后，余下的气体排入大气( )警示：从合成塔出来的气体分离出氨气后，余下的是N2和H2的混合气体，是合成氨的原料气，可循环使用。 2工业制取硫酸的吸收塔中用水来吸收SO3( )警示：用水吸收SO3易形成酸雾，影响吸收速率，应用98.3%的浓硫酸吸收。 3工业制取硫酸，在接触室里发生如下反应：2SO2O2 2SO3，增大压强，平衡正移，有利于反应的进行，故硫酸工业中常采用高压的措施( )警示：常压下SO2催化氧化成SO3的转化率已经很高，没有必要再采取高压措施，且增大压强会增加设备的投资。 4氨碱法与联合制碱法生产纯碱所用的化学反应原理是相同的( )警示：氨碱法和联合制碱法的反应原理均为 警示：仅从原料的转化率考虑，合成氨在低温高压条件下有利于氨的生成。但工业生产考虑的是产量和成本。温度低，反应速率慢，且催化剂还有一个适宜的活性温度，故工业合成氨一般采用400 500 。压强过大会增加设备、技术、成本等方面的要求，工业生产中一般采用10 MPa30 MPa压强。 6在生产纯碱的过程中，向饱和食盐水中先通入CO2，再通入氨气( )警示：由于NH3在水溶液中的溶解度大，应先通入NH3再通入CO2，提高CO2的转化率。 7大量使用含磷洗涤剂，会对环境造成影响( )警示：大量使用含磷洗涤剂，会造成水体富营养化，造成水体污染。 一、硫酸生产中的有关化学原理 1化学反应速率和化学平衡原理 (1)增大化学反应速率的措施。升高温度。使用催化剂。在沸腾炉中燃料燃烧时，使原料粉碎，增大与空气的接触面积。方法微总结 (2)反应条件的选择。温度：400 500 ，根据平衡移动原理，应在低温下进行，但低温时催化剂的活性不高，反应速率低，实际生产中采用400 500 的温度。常压：根据平衡移动原理，应在高压下进行，但增大压强对SO2的转化率提高不大，且加压会增大成本和能量消耗，而常压下转化率已很高，实际生产采用常压操作。适当过量的空气：提高SO 2的转化率。 5工业生产中的有关计算 (1)关系式法(多步计算的简捷运算方法)：先写出多步反应的化学方程式，然后找出最初反应物和最终生成物之间的物质的量之比，列出关系式，如由硫酸工业反应原理可推算出，理论上1 mol S完全转化能生成1 mol H2SO4、1 mol FeS2完全转化生成2 mol H2SO4，即SH2SO4，FeS22H2SO4。 (2)元素守恒法：原料中的某一关键元素理论上若全部转化为产物，则两物质中该元素的物质的量相等。 【微典通关1】以黄铁矿为原料，采用接触法生产硫酸的流程可简示如下请回答下列问题： (1)在炉气制造中，生成SO2的化学方程式为 _。 (2)炉气精制的作用是将含SO 2的炉气_、_及干燥，如果炉气不经过精制，对SO2催化氧化的影响是_。 矿尘、砷、硒等化合物使催化剂中毒，水蒸气对设备和生产有不良影响 除尘 水洗 (3)精制炉气(含SO2体积分数为7%、O2为11%、N2为82%)中SO2平衡转化率与温度及压强关系如图所示。在实际生产中，SO2催化氧化反应的条件选择常压、450 左右(对应图中A点)，而没有选择SO2转化率更高的B或C点对应的反应条件，其原因分别是 _ _ _ _ _。不选B点，因为压强越大对设备的投资大，消耗的动能大；SO2原料的转化率在1个大气压下的转化率已是97%左右，再提高压强，SO2的转化率提高的余地很小，所以采用1个大气压不选择C点，因为温度越低，SO2转化率虽然更高，但催化剂的催化作用受影响，450 时，催化剂的催化效率最高 (4)在SO2催化氧化设备中设置热交换器的目的是 _、 _ _，从而充分利用能源。上层反应气经热交换器温度降到400 500 进入下层使反应更加完全 利用反应放出的热量预热原料气体 解析：(1)炉气制造过程中，黄铁矿(FeS2)与空气中的O2高温下反应生成Fe2O3和SO2。 (2)炉气中含有矿尘、砷、硒等化合物和水蒸气，如果不进行精制，则矿尘、砷、硒等化合物会造成催化剂中毒，水蒸气的存在对生产和设备都有不良影响。 (3)B点与A点反应温度相同，但压强是A的10倍。增大压强虽然可提高SO2的转化率，但一个大气压下SO2的转化率已经达到97%，增加到10个大气压SO2转化率增加程度并不大，但增加压强，对设备的要求提高，消耗的能量增大，因此SO2的氧化过程采用常压更经济。C点温度低于A点，虽然C点SO2转化率高，但是温度降低，反应速率减慢，且催化剂的催化作用受影响。由于在450 时，催化剂的活性最高，反应达平衡的时间短，因此选用450 。 (4)热交换器可以把SO 2氧化放出的热量预热进入接触室的气体，冷却生成的气体，使反应进行得更完全。 二、合成氨工业的原理分析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。 (2)温度。 (3)催化剂。使用催化剂可加快化学反应速率，但不影响化学平衡移动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。合成氨工业发展的研究方向有两个方面：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。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。 【微典通关2】某化学学习小组决定在实验室模拟工业生产原理制备少量氨气，设计了如下实验：连接好装置并检查实验装置的气密性后，制备少量氢气并检验氢气纯度；用氢气将空气中的氧气消耗掉，得到氢气与氮气的混合气体；用铁触媒催化使氢气与氮气反应生成氨气；检验氨气的生成。 .检验氢气纯度的目的是_；.上述各装置的接口正确的连接顺序为_；.操作时，弹簧夹a、b、c的开、关情况为 _，如何判断氧气已经完全被消耗掉_；.在步骤中，先加热铁触媒，后通混合气体的原因是_，反应管D中发生反应的化学方程式是_；防止因为氢气不纯而发生爆炸 关闭弹簧夹b、c，打开a 氢气在C瓶内燃烧，火焰熄灭时，证明氧气完全被消耗掉 铁触媒在较高温度时活性增大，加快氨合成的反应速率 .若有氨气生成，现象为_；.该装置_(填“有”或“无”)缺点，若填有，改进措施为_。E中溶液变红 有 氢气与氮气的混合气体应该先通过干燥装置，再发生反应；后应连接一个吸收氨气的装置 解析：点燃易燃气体时，若气体中混有空气(氧气)，点燃会发生爆炸，故点燃之前一定要检验纯度；根据实验步骤的先后，可确定各装置的接口顺序为；用氢气将空气中的氧气消耗掉时，应该关闭弹簧夹b、c，打开a；点燃氢气，当火焰熄灭时，则氧气被消耗掉；由于铁触媒有一定的活性温度要求，故先加热铁触媒，再通混合气体；若产生氨气，溶于水显碱性，会使E中溶液变红；为防止催化剂发生中毒，应该在反应前把氢气与氮气的混合气体干燥，另外氨气是一种污染性气体，不能直接排入大气中，应该设有尾气处理装置。 三、工业制碱 1原料氨碱法：食盐、氨气、石灰石(经煅烧生成生石灰和二氧化碳)联合制碱法：食盐、氨气、二氧化碳(合成氨厂的废气)。 2主要反应原理二者基本相同： 3生产过程第一步：二者基本相同。将NH3通入饱和食盐水形成氨盐水，再通入CO2生成NaHCO3沉淀，经过滤、洗涤得到NaHCO3微小晶体，再煅烧制得纯碱产品，其滤液是含有NH4Cl和NaCl的溶液。联合制碱法：在低温条件下，向滤液中加入细粉状的氯化钠，并通入氨气，可以使氯化铵单独结晶沉淀析出，经过滤、洗涤和干燥即得氯化铵产品。此时滤出氯化铵沉淀后所得的滤液，已基本上是氯化钠的饱和溶液，可循环使用。 4综合评价 (1)氨碱法：优点：原料(食盐和石灰石)便宜；产品纯碱的纯度高；副产品氨和二氧化碳都可以回收循环使用；制造步骤简单，适合于大规模生产。缺点：原料食盐的利用率低，大约70%74%，其余的食盐随CaCl2溶液作为废液被抛弃，过程中产生了没多大用途且难以处理的CaCl2。 (2)联合制碱法：使食盐的利用率提高到96%以上，应用同量的食盐比氨碱法生产更多的纯碱。另外它综合利用了合成氨厂的二氧化碳和碱厂的氯离子，同时生产出两种可贵的产品纯碱和氯化铵；过程中不生成没多大用途、又难以处理的CaCl 2，减少了对环境的污染，并且大大降低了纯碱和氮肥的成本，充分体现了大规模联合生产的优越性。 【微典通关3】纯碱一直以来都是工业生产的重要原料，很长一段时期中纯碱的制法都被欧美国家所垄断。上个世纪初，我国著名的工业化学家侯德榜先生，经过数年的反复研究终于发明了优于欧美制碱技术的联合制碱法(又称侯氏制碱法)，并在天津建立了我国第一家具有独立研发技术的制碱厂，其制碱原理的流程如下： (1)侯德榜选择天津作为制碱厂的厂址有何便利条件(举两例说明)_、_。 (2)合成氨工厂需要向制碱厂提供两种原料气体X和Y，其化学式分别为_、_。这两种气体在使用过程中是否需要考虑通入的顺序_(填“是”或“否”)，原因是 _ _。原料丰富 运输便利 CO2 NH 3 是 氨气在水中溶解度大，先通氨气后通CO2，产生碳酸氢铵多，有利于碳酸氢钠析出 (3)在沉淀池中发生的反应的化学方程式为 _。 (4)使原料水中溶质的利用率从70%提高到90%以上，主要是设计了_(填上述流程中的编号)。从母液中提取的副产品的应用是_(举一例)。NaClCO 2NH 3H 2O=NaH CO3NH 4Cl 循环 制氮肥 解析：(1)侯氏制碱法是以NH3、食盐水、CO2为原料制纯碱，天津属沿海城市，原料丰富，交通便利。 (2)由制碱工业的原料可知需要的气体为NH3和CO2；制碱时应先向饱和食盐水中通入溶解度大的NH3，再通入足量CO2，相当于用NH3H2O吸收CO2，这样反应更充分，吸收CO2效果更好，有利于产生大量NH4HCO3。 (3)沉淀池中发生反应：NH3NaClCO2H2O=NaHCO3NH4Cl，NaHCO3溶解度小，以沉淀形式析出。 (4)母液中有大量NH 4Cl，原料水中溶质为NaCl，设计循环可提高Na的利用率，母液中NH4Cl提取后可制氮肥。 对点微练重要的化工生产 1下列化工生产中不涉及氧化还原反应的是() A工业合成NH3B接触法制H2SO4 C氯碱工业 D联合制碱解析：联合制碱，未涉及元素化合价变化。答案：D 应用微提升 2在NH3、H2SO4的工业生产中，具有的共同特点是() A使用H2作原料 B使用吸收塔设备 C使用催化剂 D使用尾气吸收装置答案：D 3工业生产纯碱的工艺流程示意图如下：完成下列填空： (1)粗盐水加入沉淀剂A、B除杂质(沉淀剂A来源于石灰窑厂)，写出A、B的化学式。 A_，B_。 Ca(OH )2或CaO Na2CO3 (2)实验室提纯粗盐的实验操作依次为：取样、_、沉淀、_、_、冷却结晶、_、烘干。 (3)工业生产纯碱工艺流程中，碳酸化时产生的现象是_。碳酸化时没有析出碳酸钠晶体，其原因是_。 (4)碳酸化后过滤，滤液D最主要的成分是_(填写化学式)，检验这一成分的阴离子的具体方法是 _ _。溶解 过滤 蒸发 过滤 有晶体析出(或出现浑浊) 碳酸钠溶解度比碳酸氢钠大 、NH 4Cl 取样，加硝酸酸化，加硝酸银溶液，有白色沉淀产生，则该阴离子是氯离子 (5)氨碱法流程中氨是循环使用的，为此，滤液D加入石灰水产生氨。加石灰水后所发生的反应的离子方程式为_。滤液D加石灰水前先要加热，原因是 _。 (6)产品纯碱中含有碳酸氢钠。如果用加热分解的方法测定纯碱中碳酸氢钠的质量分数，纯碱中碳酸氢钠的质量分数可表示为_(注明你的表达式中所用的有关符号的含义)。 解析：此题考查了物质的提纯、化学实验基本操作、实验结果的处理等知识。 (1)沉淀剂A来源于石灰窑，说明其是生石灰或熟石灰；粗盐中的镁离子和钙离子一般用碳酸钠除去； (2)实验室提纯粗盐的整个操作过程为：取样、溶解、沉淀、过滤、蒸发、冷却结晶、过滤、烘干； (3)纯碱生产中碳酸化时，会看到溶液中析出晶体，析出的晶体不是碳酸钠晶体，这是由于碳酸钠的溶解度大于碳酸氢钠； (4)根据操作过程，碳酸化后溶液中主要是NH 4Cl；检验其中的氯离子时，要经过取样，加硝酸酸化，加硝酸银溶液有白色沉淀产生，则该阴离子是氯离子； 对点微练化学与技术的发展 4某工厂用CaSO4、NH3、H2O、CO2制备(NH4)2SO4，其工艺流程如图所示，下列推断不合理的是() A直接蒸干滤液得到纯净的(NH4)2SO4 B生成1 mol (NH4)2SO4至少消耗2 mol NH3 CCO 2可被循环使用 D往甲中通入CO2有利于(NH4)2SO4生成 5普钙是目前使用最广泛的磷肥，其主要成分是() ACa5(PO4)3F BCa(H2PO4)2H2O和CaSO4 CCa3(PO4)2和CaHPO4 DCaHPO4和Ca(H2PO4)2解析：普钙的主要成分是Ca(H2PO4)2H2O和CaSO4。答案：B 真题微探 1(2015课标全国)氯化亚铜(CuCl)广泛应用于化工、印染、电镀等行业。CuCl难溶于醇和水，可溶于氯离子浓度较大的体系，在潮湿空气中易水解氧化。以海绵铜(主要成分是Cu和少量CuO)为原料，采用硝酸铵氧化分解技术生产CuCl的工艺过程如下： 回答下列问题： (1)步骤中得到的氧化产物是_。溶解温度应控制在6070 ，原因是_。 (2)写出步骤中主要反应的离子方程式 _。 (3)步骤包括用pH2的酸洗、水洗两步操作，酸洗采用的酸是_(写名称)。 (4)上述工艺中，步骤不能省略，理由是 _。CuSO4或Cu2 温度低溶解速度慢、温度过高铵盐分解 硫酸 醇洗有利加快去除CuCl表面水分，防止其水解氧化 (5)步骤、都要进行固液分离。工业上常用的固液分离设备有_(填字母)。 A分馏塔B离心机 C反应釜 D框式压滤机 (6)准确称取所制备的氯化亚铜样品m g，将其置于过量的FeCl3溶液中，待样品完全溶解后，加入适量稀硫酸，用a molL1的K2Cr2O7溶液滴定到终点，消耗K2Cr2O7溶液b mL，反应中Cr2O被还原为Cr3。样品中CuCl的质量分数为_。BD (2)步骤中反应物为Cu2、SO23、Cl，产物为CuCl和SO24，反应 方程式中应注意电荷守恒。 (3)CuCl溶于盐酸和硝酸，所以应该用硫酸洗涤。 (4)利用醇洗能加快去除CuCl表面的水分，防止其水解氧化。 (5)工业上常用的固液分离设备有离心机和压滤机，即B、D项正确。 2(2015课标全国)苯酚和丙酮都是重要的化工原料，工业上可用异丙苯氧化法生产苯酚和丙酮，其反应和工艺流程示意图如下： 相关化合物的物理常数回答下列问题： (1)在反应器A中通入的X是_。 (2)反应和分别在装置_和_中进行(填装置符号)。 (3)在分解釜C中加入的Y为少量浓硫酸，其作用是_，优点是用量少，缺点是_。物质相对分子质量密度/(gcm3)沸点/异丙苯120 0.864 0 153丙酮58 0.789 8 56.5苯酚94 1.072 2 182 腐蚀设备 O2(或空气) A C 催化剂(提高反应速率) (4)反应为_(填“放热”或“吸热”)反应。反应温度应控制在5060 ，温度过高的安全隐患是_。 (5)中和釜D中加入的Z最适宜的是_(填标号。已知苯酚是一种弱酸)。 aNaOH bCaCO3 cNaHCO3 dCaO (6)蒸馏塔F中的馏出物T和P分别为_和_，判断的依据是_。 (7)用该方法合成苯酚和丙酮的优点是_。c 放热 可能会导致(过氧化物)爆炸 原子利用率高 丙酮 苯酚 丙酮的沸点低于苯酚 解析：(1)由已知反应知，X应为O2或空气。 (2)根据反应的条件和类型可知，反应和分别在A、C装置中进行。 (3)酸在反应前后没有损耗，浓硫酸作该反应的催化剂，但浓硫酸有酸性，可腐蚀设备。 (4)反应的H0，为放热反应。温度过高可能导致过氧化物爆炸。 (5)因NaOH、CaCO3、CaO都能与 反应，所以选NaHCO3。 (6)因丙酮、苯酚沸点分别为56.5 、182 ，丙酮沸点低，所以T、P分别是丙酮、苯酚。 (7)原子利用率高。 3(2015山东理综)工业上利用氨氧化获得的高浓度NOx气体(含NO、NO2)制备NaNO2、NaNO3，工艺流程如下：已知：Na2CO3NONO2=2NaNO2CO2 (1)中和液所含溶质除NaNO2及少量Na2CO3外，还有_(填化学式)。 (2)中和液进行蒸发操作时，应控制水的蒸发量，避免浓度过大，目的是_。蒸发产生的蒸汽中含有少量NaNO 2等有毒物质，不能直接排放，将其冷凝后用于流程中的_(填操作名称)最合理。NaNO3 防止NaNO3的析出 溶碱 (3)母液进行转化时加入稀HNO3的目的是_。母液需回收利用，下列处理方法合理的是_。 a转入中和液b转入结晶操作 c转入转化液 d转入结晶操作 (4)若将NaNO2、NaNO3两种产品的物质的量之比设为2 1，则生产1.38吨NaNO2时，Na2CO3的理论用量为_吨(假定Na2CO3恰好完全反应)。1.59 cd 将NaNO2转化为NaNO3 解析：(1)NOx中含有NO2，NO2溶于H2O会发生反应：3NO2H2O=2HNO3NO，则中和液中还含有NaNO3。 (2)防止水分蒸发过量，溶液浓度过大会导致溶液中的硝酸钠析出。蒸汽中含有NaNO2可加入到溶碱中循环利用。 (3)母液转化时加入稀硝酸的目的是将NaNO2转化为NaNO3，以得到更多的NaNO3，提高其产量。母液需回收利用，可转入转化液进行循环，或转入结晶操作，即c、d项正确。