高中化学一轮复习 第六单元 第29讲 化学与工农业生产课件.ppt

第六单元化学与技术 选考 第29讲 化学与工农业生产 考纲导视 考纲定位1 了解我国无机化工的生产资源和产品的主要种类 2 了解合成氨的主要原理 原料 重要设备 流程和意义 认识催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义 3 了解精细化工产品的生产特点及在社会发展中的作用 4 了解化学肥料 农药等在农业生产中的作用 基础反馈 正误判断 正确的画 错误的画 1 国际上提出的 绿色化学 是指在化工生产中少用或 不用有害物质以及少排放或不排放有害物质 2 与以黄铁矿为原料的生产工艺相比 以硫黄为原料的生 产工艺的特点是SO2的转化率提高 3 对于可逆反应N2 g 3H2 g 2NH3 g H 0 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 4 合成氨工业使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的 反应能用勒夏特列原理解释 5 氨碱法生产纯碱的原料便宜易得 步骤简单 是最早的 制碱工艺 6 索尔维制碱法析出NaHCO3后的母液中已无NaCl 只有 NH4Cl 7 硫酸工业的尾气必须回收 净化处理 主要为了充分利 用原料 8 可逆反应X g 2Y g 2Z g 正反应吸热 为了有 利于Z的生成 应采用的反应条件是高温低压 9 合成氨工业中 从合成塔出来的混合气体 其中NH3只 占15 所以生产氨的工厂的效率都很低 10 分别用炒锅加热纯碱和小苏打样品 全部分解挥发 没有残留物的是小苏打 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 考点一 硫酸工业 知识梳理 1 合成硫酸的三种原料 2 三个主要反应 造气 接触氧化 三氧化硫的吸收 3 黄铁矿制硫酸的三个主要设备 硫黄 或黄铁矿 空气 水 S s O2 g SO2 g H 297kJ mol 1 2SO2 g O2 g 2SO3 g H 196 6kJ mol 1 SO3 g H2O l H2SO4 l H 130 0kJ mol 1 沸腾炉 吸收塔 接触室 4 接触室中三个反应条件 的温度 常压操 作 适当 的空气提高SO2的转化率 400 500 过量 5 三废 处理和能量综合利用 1 三废 处理方法 尾气吸收 CaSO3 H2SO4 CaSO4 SO2 H2O 废水处理 根据杂质的性质 采用不同的化学方法 如酸碱中和法 重金属离子沉淀法 废渣利用 制砖或制造水泥 提炼 贵重金属 CaSO3 H2O SO2 Ca OH 2 2 能量的充分利用 硫酸生产中的反应热可用于预热反应物满足自身能量的需要 还可以由硫酸厂向外界输出大量能量 供热发电 考点集训 例1 在硫酸工业生产中 SO3的吸收过程是在吸收塔 如右图 中进行的 吸收塔里还装入大量瓷环 下列有关说法中 A 从 处通入SO3 整个吸收操作采取逆流的形式 B 从 处喷下98 3 的硫酸 瓷环的作用是增大接触面积C 从 处导出的气体只含有少量SO2 可直接排入大气D 从 处流出的是可用水或稀硫酸稀释的硫酸答案 C 例2 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SO2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 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 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 思路指导 SO2在催化氧化过程中 炉气中含有的砷 硒化合物等杂质和矿尘 都会使催化剂中毒 失去催化能力 答案 1 4FeS2 11O2 2Fe2O3 8SO2 2 除尘 水洗 矿尘 砷 硒等元素的化合物使催化剂中 毒 水蒸气对设备和生产有不良影响 3 不选B点 是因为压强大对设备的投资大 消耗的动能 大 同温度下SO2原料的转化率在0 1MPa已达到97 左右 不 选择C点 是因为温度低 SO2转化率虽然更高 但催化剂的催化作用受影响 反应速率低 450 时 催化剂的催化效率最高 4 利用反应放出的热量预热原料气 例3 2015年辽宁大连质检 硫酸工厂排放的尾气中 含少量的二氧化硫 为防止污染大气 在排放前必须进行尾气处理并设法进行综合利用 1 硫酸工厂排放尾气中的SO2通常用足量石灰水吸收 然 后再用稀硫酸处理 写出上述过程的化学反应方程式 请写出这种尾气处理方法的优点 写出两点即可 若某硫酸厂每天排放的1万立方米 标准状况 尾气中含0 2 体积百分数 的SO2 通过上述方法处理 理论上需生石灰 kg 2 近年美国和日本正在研究用Na2SO3吸收法作为治理SO2污染的一种新方法 该方法为第一步是用Na2SO3水溶液吸收SO2 第二步是加热吸收溶液 可得到含高浓度SO2的水蒸气副产品 这种尾气处理方法与 1 相比的优点是 3 某研究小组用NaOH溶液吸收尾气中的二氧化硫 将所得的Na2SO3溶液进行电解循环再生 这种新工艺叫再生循环脱硫法 其中阴阳膜组合循环再生机理如图 a b离子交换膜将电解槽分为三个区域 电极材料为石墨 图中a表示 离子交换膜 填 阴 或 阳 A E分别代表生产中的原料或产品 其中C为硫酸 则A表示 E表示 阳极的电极反应式为 H2 答案 1 SO2 Ca OH 2 CaSO3 H2O CaSO3 H2SO4 CaSO4 SO2 H2O 原料生石灰 硫酸价格便宜且容 易获得 可得到石膏副产品 产生的SO2含量较高可循环作为 原料 任选两点 50 2 Na2SO3可循环使用 3 阳 NaOH 方法技巧 化学原理在硫酸工业生产中的应用 1 逆流原理 沸腾炉中原料从炉顶落下 热空气从炉底吹入 使原料与助燃气体充分接触 反应充分进行 吸收塔中使用大量耐酸瓷环 片 浓硫酸从塔顶喷下 三氧化硫气体从塔底吹入 提高吸收程度 2 热交换原理 由于2SO2 O2 2SO3是放热反应 在接触室内使用热交换器 用反应放出的热量预热接触室的原料气 达到节约能源 降低生产成本的目的 3 循环操作原理 由于2SO2 O2 2SO3是可逆反 应 尾气中还有一定的SO2和O2 再通过一定措施将这部分气体送回接触室 提高原料利用率 同时减少废气排放 考点二 合成氨工业 知识梳理 1 反应原理 N2 g 3H2 g 2NH3 g H 0 2 基本生产过程 加压 降温液化 1 造气 将空气 后蒸发分离出O2而获得N2 或将空气通过灼热的碳生成CO2 再除去CO2后得N2 H2来源于水蒸气和燃料 焦炭 煤 石油 天然气等 的反应 反应方程式为 C H2O g CO H2 CO H2O g CO2 H2 2 净化 原料气中的主要杂质H2S CO CO2 O2等会导致催化剂中毒 H2S用 吸收 反应方程式 CO首先被氧化生成CO2 再被 吸收 反应方程式为 3 合成与分离 合成氨的主要设备为 氨的分离是通过 将氨液化 然后将液氨分离 分离出来的混合气体经循环压缩机 再送到 中继续合成 合成氨的流程 为 原料气的制取 净化 压缩 液氨 氨水 H2S NH4HS H2O NH3 H2O K2CO3溶液 CO H2O CO2 H2 K2CO3 CO2 H2O 2KHCO3 合成塔 合成塔 冷凝器 3 合成氨条件的选择 温度 压强 催化剂 以 为主的催化剂 400 500 10MPa 30MPa 铁 考点集训 例4 2014年天津卷 合成氨是人类科学技术上的一项重大 突破 其反应原理为N2 g 3H2 g 2NH3 g H 92 4 kJ mol 1 一种工业合成氨的简易流程图如下 H 41 2kJ mol 1 对于反应 一定可以提高平衡体系 1 步骤 中制氢气原理如下 CH4 g H2O g CO g 3H2 g H 206 4kJ mol 1 CO g H2O g CO2 g H2 g 中H2百分含量 又能加快反应速率的措施是 a 升高温度c 加入催化剂 b 增大水蒸气浓度d 降低压强 利用反应 将CO进一步转化 可提高H2的产量 若1molCO和H2的混合气体 CO的体积分数为20 与H2O反应 得到1 18molCO CO2和H2的混合气体 则CO转化率为 2 图甲表示500 60 0MPa条件下 原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系 根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数 3 依据温度对合成氨反应的影响 在图乙坐标系中 画出一定条件下的密闭容器内 从通入原料气开始 随温度不断升高 NH3物质的量变化的曲线示意图 4 上述流程图中 使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是 填序号 简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法 解析 1 反应 是一个吸热反应 升高温度平衡正向移动 将会增加H2的百分含量 同时提高反应速率 增大水蒸气的浓度 会提高反应速率 但H2的百分含量会降低 加入催化剂 不会引起H2百分含量的改变 降低压强 反应速率减小 设CO反应了nmol CO g H2O g CO2 g H2 g 起始量 mol变化量 mol平衡量 mol 0 2n0 2 n 0nn 0 8n0 8 n 则 0 2 n n 0 8 n 1 18解得 n 0 18 CO的转化率为 0 18mol0 2mol 100 90 100 42 解得m 0 59 所以平衡 2 a点时 H2 N2物质的量之比为3 1 设投入N2和H2的物质的量分别是1mol 3mol 平衡时N2反应掉mmol N2 g 3H2 g 2NH3 g 起始量 mol变化量 mol平衡量 mol 1m1 m 33m3 3m 02m2m 根据题意 2m4 2m 1 0 59 mol时N2的体积分数为 4 2 0 59 mol 100 14 5 3 通入原料气 反应开始 温度达到一定程度时反应开始 氨气的量增加 因为合成氨是一个放热反应 当达到平衡后温度升高 氨气的含量将减小 2 14 5 答案 1 a90 3 对原料气加压 分离液氨后 未反应的N2 H2循 4 环使用 例5 2015年辽宁沈阳模拟 制取硝酸铵的流程图如下 请回答下列问题 1 合成氨原料的来源 2 已知N2 g 3H2 g 2NH3 g H 92kJ mol 1 请解释 可逆反应 为有效提高氨的产率 实际生产中宜采取的措施是 3 氨催化氧化的化学方程式为 铂 铑合金网的作用为 铂 铑合金网未预热也呈红热状态的原因是 4 生产硝酸的过程中常会产生一些氮的氧化物 如何消除它们对大气的污染 写出有关化学反应方程式 5 硝酸铵的两种主要用途是 6 在一定温度和压强的密闭容器中 将H2和N2混合 混合物平均相对分子质量为8 5 当该反应达到平衡时 测出平衡混合气的平均相对分子质量为10 试求此时N2的转化率和平衡混合气体中NH3的体积分数分别为 x 3 4 反 解析 6 根据 十字交叉法 可得 则 n N2 n H2 6 5 19 5 1 3 设反应前混合气体的总物质的量为4mol 平均相对分子质量与气体的总物质的量成反比 设 反应后气体的总物质的量为xmol 则有 8 510 x4 应前后气体的物质的量差值为0 6mol 设反应消耗N2的物质的量为ymol 生成氨的物质的量为zmol 则有 N2 3H2 2NH3 物质的量之差 1ymol 2zmol 20 6mol y 0 3 z 0 6 N2的转化率为 0 31 100 30 氨的体积分数为 0 63 4 100 17 6 3 4NH3 5O2 4NO 6H2O 答案 1 N2来源于空气 H2可来源于水煤气 2 在同一条件下 既能向正反应方向进行 又能向逆反 应方向进行的反应 增压 适当温度 Pt Rh 作催化剂 氨的催化氧 化反应是放热反应 可使Pt Rh合金网达到一定温度而不必预热 NO NO2 4 可用碱溶液吸收氮的氧化物2NaNO2 H2O 5 可作化肥和炸药 6 30 17 6 2NaOH 方法技巧 在合成氨的工业生产中 要综合考虑原料来源 动力 设备等因素 控制适宜的反应条件 以取得最佳经济效益 1 温度 2 压强 3 催化剂 加快反应速率但不影响平衡 提高单位时间氨 的产量 目前工业上以铁触媒为催化剂 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 考点三 纯碱工业 知识梳理 考点集训 例6 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 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 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 其和石灰水反应时 NH4 OH 84 m1 m2 84 m1 m2 解析 1 沉淀剂A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 4 根据操作过程 氨化后通入二氧化碳的溶液发生复分解反应 反应的化学方程式为 H2O CO2 NH3 NaCl NaHCO3 NH4Cl 最终得到NH4Cl还有碳酸氢钠等 碳酸氢钠溶解度很小而结晶 故酸化后滤液的主要成分是NH4Cl 检验其中的氯离子时 要经过取样 加硝酸酸化 加硝酸银 有白色沉淀 该阴离子是氯离子 5 滤液中主要含有的是氯化铵 NH3 H2O 由于滤液中还 含有一定量的碳酸氢钠 故此加石灰水前先加热 是为防止加石灰水时产生碳酸钙沉淀 6 假设加热前纯碱的质量为m1 加热后的质量为m2 则加热损失的质量为 m1 m2 则纯碱中碳酸氢钠的质量为 31 故纯碱中含有的碳酸氢钠的质量分数为 31m1 答案 1 Ca OH 2或CaO Na2CO3 2 溶解 过滤 蒸发 过滤 3 有晶体析出 或出现浑浊 碳酸钠溶解度比碳酸氢钠大 取样 加硝酸酸化 加硝酸银 有白色沉淀 该阴离 4 NH4Cl子是氯离子 6 84 m1 m2 31m1 加热前纯碱的质量为m1 加热后的质量为m2 例7 工业上可用食盐和石灰石为主要原料 经不同的方法 生产纯碱 请回答下列问题 1 路布兰法是以食盐 石灰石 浓硫酸 焦炭为原料 在 高温下进行煅烧 再浸取 结晶而制得纯碱 食盐和浓硫酸反应的化学方程式为 硫酸钠和焦炭 石灰石反应的化学方程式为 已知产物之一为CaS 2 氨碱法的工艺如图所示 得到的碳酸氢钠经煅烧生成纯 碱 图中的中间产物C是 写化学式 后同 D是 装置乙中发生反应的化学方程式为 3 联合制碱法是对氨碱法的改进 其优点是 4 有人认为碳酸氢钾与碳酸氢钠的化学性质相似 故也可用氨碱法以氯化钾和石灰石等为原料制碳酸钾 请结合下图的溶解度 S 随温度变化曲线 分析说明是否可行 答案 1 2NaCl H2SO4 浓 Na2SO4 CaCO3 4C Na2SO4 2HCl CaS Na2CO3 4CO 或 Na2SO4 2C CaCO3 CaS Na2CO3 2CO2 2 Ca OH 2NH3 NH3 CO2 NaCl H2O NaHCO3 NH4Cl 3 提高了食盐的利用率 NH4Cl可作氮肥 可与合成氨厂联合 使合成氨的原料气转化成CO2 节省原料 4 不可行 由溶解度 S 随温度变化曲线可知 NaHCO3的溶解度较小且受温度的影响不大 KHCO3的溶解度较大且受温度的影响较大 并且KHCO3的溶解度与NH4Cl相差不大 故不能用氨碱法制碳酸钾 方法技巧 1 向饱和食盐水中通入氨气和二氧化碳的顺序是先通氨气再通二氧化碳 因为氨气在水中的溶解度大 先通氨气会吸收更多的二氧化碳 有利于生成较多的碳酸氢钠而析出 2 在氨碱法和联合制碱法的过程中 CO2均可循环利用 3 联合制碱法和氨碱法相比较 主要优点是提高了原料的 利用率 同时得到氮肥 考点四 农药 化肥和表面活性剂 知识梳理 1 化肥为农作物补充必要的营养元素 农业生产中 大量施用的化肥主要是 和 磷肥包括 主要成分是 简称 还有 主要成分是 钾肥主要包括 等 氮肥包括 等 尿素的工业生产原 氮肥 磷肥 钾肥 过磷酸钙 Ca H2PO4 2 H2O和CaSO4 普钙 Ca3 PO4 2和Mg3 PO4 2 草木灰 钙镁磷肥 KCl K2SO4 尿素 CO NH2 2 NH4NO3 NH4HCO3 理用化学方程式表示为 硝酸铵工业生产方法为 复合肥料是指氮 磷 钾三种养分中 至少有两种养分 常见的复合肥料有 NH4H2PO4 NH4 2HPO4 KNO3 KH2PO4 2NH3 CO2 H2NCOONH4 H2NCOONH4 H2NCONH2 H2O 2NO O2 2NO2 3NO2 H2O 2HNO3 NO NH3 HNO3 NH4NO3 2 农药按用途分为 杀虫剂 如有机氯类 有机磷类 拟除虫菊酯类等 杀菌剂 如波尔多液等 除草剂 如2 4 D等 植物生长调节剂 如 等 农药的主要危害是 对农产品造成污染 危及食品安全 破坏生物链 影响生态平衡 对 环境造成严重污染 危及人类健康和生命安全 乙烯利 3 肥皂 4 合成洗涤剂的主要成分是表面活性剂 如十二烷基苯磺 酸钠 能够去除油污 里面还含有杀菌剂 织物柔 软剂 助剂等辅助成分 考点集训 例8 某生态系统中氮循环如图所示 1 哪一类生物能将蛋白质转化为氨 A 分解者B 藻类 C 化能合成类生物 2 该生态系统的豆科植物不施氮肥 仍能表现出良好的长势 其原因是 3 写出工业固氮的化学方程式 4 雷雨中常有微量的硝酸生成 而为农作物所利用 用化学方程式表示HNO3的形成过程 某学生为证明某一白色固体是硫酸铵 他设计了两种方法 答案 1 A 2 豆科植物根部的根瘤菌能将游离态的氮转化为化合态的氮 从而满足自身营养的需要 3 N2 3H2 2NH3 4 N2 O2 2NO 2NO O2 2NO2 3NO2 H2O 2HNO3 NO 取少量样品 加入NaOH溶液 微热 用湿润的红色石 蕊试纸检验 红色试纸变蓝 方案 先加入稀盐酸 排除 例9 2015年湖北武汉调研 化学肥料在农业生产中有重要作用 农业生产中 大量施用的化肥主要是氮肥 磷肥和钾肥 1 普钙是磷肥 它的有效成分是 写化 学式 2 尿素是一种含氮量较高的氮肥 工业生产尿素是将氨气与二氧化碳在加压 加热的条件下反应生成氨基甲酸铵 H2NCOONH4 再使氨基甲酸铵脱水得到尿素 反应的化学方程式为 3 农谚说的 粪和灰 肥料飞 指的是粪尿与草木灰搅和在一起会降低肥效 请你说明其中的化学原理 为K2CO3 K2CO3受潮后水解为KOH 显碱性 NH4与OH 答案 1 Ca H2PO4 2 H2O 2 2NH3 CO2 H2NCOONH4 H2NCOONH4 H2NCONH2 H2O 3 粪尿中的氮元素最终转化为铵盐 而草木灰的有效成分 可发生反应生成NH3 NH3逸出而降低肥效 规律总结 化工生产中常涉及计算的几种方法 1 关系式法 1 元素守恒法 理论上 原料中的某种核心元素全部进入产品中 因此依据守恒原理可以得出相应的关系式 如 硫铁矿制硫酸 FeS2 2SO2 2SO3 2H2SO4 硫黄制硫酸 S SO2 SO3 H2SO4 氨氧化法制硝酸 NH3 NO NO2 HNO3 磁铁矿炼铁 Fe3O4 3Fe 2 化学方程式加合法 例如 C H2O CO H2 CO H2O得C 2H2O CO2 H2 将 式和 式加合消去CO CO2 2H2 再与N2 3H2 2NH3 加合消去H2 得3C 6H2O 2N2 3CO2 4NH3 即C与NH3之间的理论关系式为3C 4NH3 3 电子守恒法 如CN CNO CO2 N2 将CN 2Cl 得2e 故关系式 氧化为CO2和N2 失去5e 而Cl2为2CN 5Cl2 2 物质纯度 转化率 产率的计算 矿物的纯度 纯矿物的质量矿物的总质量 100 原料利用率 消耗原料质量原料的总质量 100 原料转化率 原料利用率 多步反应的总转化率 各步反应转化率的乘积 产率 实际产量理论产量 100 例10 目前 我国采用 接触法 制硫酸 有关接触法制 硫酸过程中定量分析 回答下列问题 1 由沸腾炉排出的矿渣中含有Fe2O3 CuO CuSO4 由CuO与SO3在沸腾炉中化合而成 其中硫酸铜的质量分数随沸腾炉温度不同而变化 见下表 已知CuSO4在低于660 时不会分解 请简要分析上表中CuSO4的质量分数随温度升高而降低的原因 2 制硫酸时 混合气体的组成是SO27 O211 N282 100体积混合气体进入接触室反应后 将导出的气体恢复到原温度和压强时变为96 7体积 反应后混合气体中N2和O2的体积比为 SO2的转化率是 3 据测算 接触法制硫酸过程中 若反应热都未被利用 则每生产1t98 的硫酸需消耗3 6 105kJ的热量 请通过计算 判断 若只有反应2SO2 g O2 g 2SO3 H 197 解析 2 差量法 设O2 SO2分别参与反应的体积为x y 则 2SO2 O2 2SO3 V 2 2y 1x 13 3 所以反应的SO2 y 6 6体积 反应的O2 x 3 3体积 100 94 3 氮气在反应中不变 故体积比为82 11 3 3 82 7 7 SO2的转化率为 6 67 3 根据原子守恒 得出关系式 SO2 SO3 H2SO4 放出热量 98g1 106g 98 98g1 106g 98 98 5kJQ98 5kJQ 解得Q 9 85 105kJ 即可向外界输出的能量 9 85 105kJ 3 6 105kJ 6 25 105kJ 答案 1 SO2转化为SO3是正反应放热的可逆反应 随温度升高 平衡逆向移动 SO2的转化率减小 SO3的物质的量减少 所以CuSO4的量减少 2 82 7 7 94 3 3 6 25 105