2019-2020年高中化学专题二从自然资源到化学品第一单元氨的合成学案苏教版选修.doc

2019-2020年高中化学专题二从自然资源到化学品第一单元氨的合成学案苏教版选修1了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义，知道催化剂的研制对促进化工发展的重大意义，认识实际化工生产技术问题的复杂性，增强技术意识。2从合成氨工业流程与技术出发了解化学在工农业生产中的具体应用，认识化学学科发展对化工生产技术进步的促进作用，认识化学工业在国民经济发展中的地位。卡尔博施是德国工业化学家。他的主要贡献是改进了哈伯首创的高压合成氨法，找到了合适的氧化铁型催化剂，使合成氨生产工业化，称为“哈伯博施法”。19081913年他改进了高压合成氨的催化方法，实现了合成氨的工业化生产，并在发展高压化学方面取得了成就。因此他获得了1931年的诺贝尔化学奖。他的高压化学方法标志着化学合成工艺的巨大进步，此外，他还进行了合成汽油、合成甲醇的研究工作。一、合成氨反应条件的选择1合成氨反应的特点合成氨是20世纪初德国人哈伯发明的。实际生产在高压、适宜温度和催化剂条件下进行：N2(g)3H2(g) 2NH3(g)H92.4 kJmol1，这一可逆反应的特点是正反应为气体体积减小的放热反应。2合成氨反应条件的选择在合成氨生产中要综合考虑反应速率、催化剂工作温度、反应物转化率、反应装置材料与生产技术水平来确定反应的条件。目前，工业上用铁触媒作催化剂，在2050MPa、450 左右用氮、氢混合气体进行氨的合成，得到的平衡混合物中，氨的含量约为20%。二、合成氨的生产工艺1合成氨的工业流程(1)制备原料气。合成氨的生产首先需要合成原料气。原料气由体积比约为13的氮气和氢气组成。(2)反应前原料气的处理。把原料气加压、预热后送到合成塔。(3)合成反应。在一定条件下发生合成反应，就可以得到含有一定质量分数氨气的平衡混合气。(4)反应后平衡混合气体的处理。从合成塔里排出的平衡混合气体中分离出氨气后，把未反应的氮、氢原料气送回合成塔循环利用。2合成塔的构造特点原料气从塔底进入，向上流经外筒的环隙，至顶端后再进入热交换器。折流向下的气体穿过热交换器的管间，被加热到400 左右进入第一层催化剂，经反应后温度上升到500_左右。在第一、二层间，反应气与冷的原料气混合后进入第二层催化剂，以此类推，最后的气体从第四层催化剂底部排出，折流向上穿过中心管，再经热交换器的管内换热后自塔顶排出塔外。思考讨论：观察教科书中所示的合成氨塔结构，请思考问题：为什么原料气从塔底流经外筒环隙进入？为什么气体在反应前后都要通过热交换器？提示：原料气从塔底流经外筒环隙进入，原料气在反应前后都要通过热交换器，这样使温度低的原料气与管内温度较高的平衡混合气逆向流动，目的是充分利用反应放出的热量，提高热交换效率。一、合成氨条件的选择外界条件有利于增大速率的条件控制有利于平衡正向移动的条件控制综合分析结果实际生产中选择的条件浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度，减小产物的浓度不断补充反应物，及时分离出产物N2与H2体积比约为13，及时将氨气分离出，循环操作催化剂加合适的催化剂不需要加合适的催化剂铁触媒(催化剂的活性最大)温度高温H0，选择低温兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度450 左右压强高压n(g)0，选择高压在设备条件允许的前提下，尽量采取高压2050 MPa二、合成氨的基本生产过程1造气原料气中的氮气来自于空气，而氢气来自于含氢的天然气、煤、炼油产品。以天然气为原料时，反应可简单表示为CH4H2OCO3H2，COH2OCO2H2。2原料气的净化(1)对原料气净化的原因：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”，所以必须除去，这一过程称为原料气的净化。(2)吸收H2S：用稀氨水吸收H2S杂质：NH3H2OH2S=NH4HSH2O。(3)除去CO：制造原料气过程中产生的CO必须变成CO2除去。工业生产中在催化剂(如Fe2O3和CuO等)作用下，一氧化碳可以与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气：COH2OCO2H2。生成的二氧化碳，常采用K2CO3溶液吸收：K2CO3CO2H2O=2KHCO3。(4)精制原料气：原料气通过用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收CO、CO2、O2、H2S等少量有害气体，进行精制处理。3氨的合成与分离净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入氨合成塔，氮气与氢气在高温、高压和催化剂作用下合成氨。从合成塔出来的混合气体，通常约含20%(体积分数)的氨。为了使氨从没有起反应的氮气和氢气里分离出来，要把混合气体通过冷凝器使氨液化，然后在气体分离器里把液态氨分离出来导入液氨贮罐。由气体分离器出来的气体，经过循环压缩机，再送到合成塔中进行反应。拓展思考：如何防止催化剂的中毒？提示：催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称为催化剂的中毒。一般认为是由于催化剂表面的活性中心被杂质占据而引起中毒。催化剂中毒后，往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氢、氮混合气体处理，活性也很难恢复。催化剂中毒会严重影响生产的正常进行。工业上为了防止催化剂中毒，一方面要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本；另一方面，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，也是一个重要的化工生产研究方向。三、合成氨工业的发展1原料及原料气的净化作为原料气之一的氮气来自空气，可谓取之不尽用之不竭，因此，制氢气的工艺和技术成为研究的主要课题。早期的合成氨工业，主要以焦炭与水为原料生产水煤气以得到氢气。现在已经可以使用各种不同的固态(煤和焦炭等)、液态(石油中提炼的石脑油和重油等)和气态(天然气、焦炉气等)可燃物作为制氢气的原料，由于原料不同，原料气的净化工艺和技术也不断改进。2催化剂的改进催化反应过程的工艺条件常常决定于催化剂的性能，由于催化剂的突破而彻底改变工艺过程及条件的事例屡见不鲜。合成氨时，使用磁铁矿催化剂已经80多年，其间各国一直在进行研究和改进。例如，有采用钌为基础活性物质的新型催化剂，整个工艺流程也以此为核心设计。3环境保护(1)废渣的处理：主要来自造气阶段，特别是以煤为原料而产生的煤渣，用重油为原料产生的炭黑等，现在大都将它们用作建材和肥料的原料。(2)废气的处理：主要是H2S和CO2等有害气体。对H2S的处理，先后采用了直接氧化法(选择性催化氧化)、循环法(使用溶剂将其吸收浓缩)等回收技术。CO2虽然是无毒无害的物质，但随着人们对其可能产生温室效应的关注，减少CO2的排放逐渐受到重视，所以，在不断研究和改进将其作为尿素和碳铵生产原料的途径。(3)废液的处理：主要是含氰化物和含氨的污水。目前，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；处理含氨废水多以蒸馏的方法回收氨达到综合利用的目的，对浓度过低的含氨废水，可用离子交换法治理。知识点1 合成氨反应条件的选择【例题1】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：B点拨：勒夏特列原理只能解释有关平衡移动问题，不能用于解释化学反应速率问题。有效碰撞理论、勒夏特列原理各有其应用的对象，应加以区分。知识点2 综合考查合成氨的实验流程【例题2】(xx广东模拟)工业生产硝酸铵的流程图如下：请回答下列问题：(1)写出硝酸铵在工农业生产中的主要用途：_(任写一条)。(2)已知N2(g)3H2(g) 2NH3(g)H92 kJmol1。请回答：在500 、2107 Pa和铁触媒作催化条件下向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2，充分反应后，放出的热量_(填“”“”或“”)92.4 kJ，理由是_。为有效提高氢气的转化率，实际生产中宜采取的措施有_。A降低温度B最适合催化剂活性的适当高温C增大压强D降低压强E循环利用和不断补充氮气F及时移出氨(3)写出氨在铂铑合金网催化氧化的化学方程式：_。(4)在一定温度和压强的密闭容器中，将物质的量为32 的H2和N2混合，当该反应达到平衡时，测出平衡混合气中氨的体积分数为15%，此时H2的转化率为_。(5)请写出实验室检验产品中阳离子的方法：_。(6)硝铵受热会发生爆炸，在某温度下反应生成N2，其中被氧化和被还原的氮原子为53，请写出该反应的化学方程式：_。解析：本题考查化学工业的知识。反应热是指物质按方程式中的化学计量数完全参加反应后的能量变化，而合成氨的反应为可逆反应，因此1 mol N2不可能全部参加反应。根据热化学方程式可判断此反应的正反应为气体体积减小的放热反应，所以增大压强、增加反应物以及减少生成物均可使平衡正向移动。N2(g)3H2(g)2NH3(g)初始n/mol230转化n/mola3a2a平衡n/mol2a33a2a则平衡时氨的体积分数为100%15%，a0.33，则氢气的转化率为100%33%。氨气为中学阶段所学的唯一的一种碱性气体，因此常利用铵离子在碱性条件下加热得到氨气来鉴别铵盐。答案：(1)可做氮肥等(2)在1.01105 Pa和298 K条件下，1 mol氮气和3 mol氢气完全反应生成2 mol氨气，放出92.4 kJ热量，但该反应为可逆反应，不可能进行完全CEF(3)4NH35O24NO6H2O(4)33%(5)取少量产品于试管中，加入NaOH溶液，微热，产生使红色石蕊试纸变蓝的气体(6)5NH4NO32HNO34N29H2O点拨：工业化学与化学平衡的结合也是最近出现的考题内容，另外还有与硫酸工业的结合考查。在解答这些题目时，一方面要注意理论知识的应用，另一方面还要注意实际操作的可行性。1合成氨所用的H2可由煤与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)H0，欲提高CO转化率可采用的方法有：降低温度；增大压强；使用催化剂；增大CO的浓度；增大水蒸气的浓度。其中正确的组合是()。A BC D只有解析：该反应是一个气体总体积不变的放热反应，欲提高CO的转化率，可设法使化学平衡向正反应方向移动，显然降低温度可以满足这一要求，增加水蒸气的浓度，平衡向正反应方向移动，CO的转化率也可以增大；但若增加CO的浓度，平衡虽然向右移动，但CO的总量增大，其转化率反而减小。增大压强和使用催化剂的操作只能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，而与平衡时CO的转化率无关。答案：B2一定条件下，合成氨反应达到平衡时，测得混合气体中氨气的体积分数为20.0%，与反应前的体积相比，反应后体积缩小的百分率约是()。A16.7% B20.0% C80.0% D83.3%解析：设达到平衡后混合气体的体积为1 L，则其中生成氨气的体积为1 L20.0%0.2 L。则根据反应的方程式有：N23H22NH3V1 3 2 2 0.2 L 0.2 L所以平衡前混合气体的体积为1 L0.2 L1.2 L，因此反应后气体体积缩小率为100%16.7%。答案：A3利用天然气合成氨的工艺流程示意图如下：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溶液和CO2反应在加压下进行，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溶液循环，请在上述流程图中标出第三处循环(循环方向、循环物质)。解析：(1)流程图中已给出反应物是H2S和Fe(OH)3，生成物是Fe2S3和H2O，CH4没有参与反应，写出方程式再配平即可。(2)写出此反应的方程式：CH4H2OCO3H2，就很容易看出产生H2应为30.9n mol2.7n mol。(3)CO2为气体，加压有利于平衡右移，利用的是勒夏特列原理。(4)此题考查了CO2的用途，写任一种用途即可。(5)合成氨反应是一可逆反应，H2和N2的转化率低，必须循环利用。答案：(1)3H2S2Fe(OH)3=Fe2S36H2O(2)2.7n(3)B(4)生产纯碱(或作制冷剂等，其他合理答案也可以)(5)