2017人教版高中化學(xué)選修2時(shí)合成氨的基本生產(chǎn)過程和合成氨工業(yè)的發(fā)展

1、第4課時(shí) 合成氨的基本生產(chǎn)過程和合成氨工業(yè)的發(fā)展學(xué)案【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.了解合成氨生產(chǎn)的一般流程和反應(yīng)原理、反應(yīng)條件。2.了解實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)際生產(chǎn)之間的轉(zhuǎn)化。3.了解合成氨的發(fā)展4.了解合成氨工業(yè)的三廢處理。【重點(diǎn)難點(diǎn)】1.合成氨的主要原理、原料、重要設(shè)備、流程和意義2.利用所學(xué)的化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡理論解釋合成氨中的相關(guān)問題。課前預(yù)習(xí)【情景材料】在讓合成氨的工藝走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)工業(yè)化學(xué)生產(chǎn)的過程中，德國化學(xué)工程師博施作出了重大貢獻(xiàn)，他經(jīng)過大量試驗(yàn)，找到較為理想的鐵催化劑，設(shè)計(jì)并建造了能夠耐高溫、高壓的合成氨裝置。1910年，德國建立了世界上第一座合成氨試驗(yàn)廠，1913年，又建立了生產(chǎn)規(guī)模的合成氨廠

2、。從此以后，合成氨工業(yè)便迅速發(fā)展起來。工業(yè)上是如何合成氨的？【預(yù)習(xí)內(nèi)容】根據(jù)教材有關(guān)內(nèi)容填寫下列空白：一、合成氨的基本生產(chǎn)過程合成氨的基本生產(chǎn)過程主要包括三個(gè)步驟： 、 、 。1.原料氣的制備(1)氮?dú)獾闹苽湮锢矸椒ǎ?化學(xué)方法：將空氣中的氧氣與 作用生成 ，再除去 。(2)氫氣的制備碳與水蒸氣的反應(yīng)，用方程式表示為： 。水蒸氣與碳?xì)浠衔锏姆磻?yīng)，用方程式表示為： ， 。2.原料氣的凈化(1)含義：原料氣的凈化是指 ，目的是 。(2)凈化方法H2S的除去，用方程式表示為：；CO的除去，用方程式表示為：；CO2的除去，用方程式表示為：。3.氨的合成與分離(1)氨的合成：將凈化后的原料氣加壓送進(jìn)

3、，在適宜條件下充分反應(yīng)制取氨。(2)從合成塔出來的混合氣體，其中氨氣占總體積的15%，要把混合氣體通過 使氨液化，再導(dǎo)入 。二、合成氨工業(yè)的發(fā)展1.原料及原料氣的凈化原料氣之一的氮?dú)鈦碜?，現(xiàn)在氫氣主要通過不同的 態(tài)可燃物（煤和焦炭）、 態(tài)可燃物（石油提煉后的石腦油、重油）、 態(tài)可燃物（天然氣、焦?fàn)t氣）為原料。2.催化劑的改進(jìn)多年來一直用 作催化劑，目前有采用 為基礎(chǔ)活性物質(zhì)的新型催化劑。3.環(huán)境保護(hù)(l)廢渣：可用作 的原料。(2)廢氣：主要是 和 等有害氣體，對H2S的處理，先后采用直接 法（選擇性催化氧化）、 法（用溶劑吸收濃縮，CO2也可用來生產(chǎn) 和 等。(3)廢液：主要是含 和含 的

4、污水，處理含氰化物主要用 、加壓 、 分解、 、沉淀、 回爐等方法；處理氨廢水可用 的方法回收氨氣，也可用治理。預(yù)習(xí)內(nèi)容答案一、造氣(制備合成氨的原料氣)；凈化(原料氣凈化處理)；合成(使原料氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)合成氨)。1.液態(tài)空氣 液氮 液氧 碳 二氧化碳 二氧化碳 CH2OCOH2CH4H2O3H2CO CH4H2O4H2CO22.除去原料中雜質(zhì)的過程 防止催化劑中毒H2SNH3H2O=NH4HSH2O COH2OCO2H2K2CO3CO2H2O=2KHCO33.合成塔 冷凝器 液氨貯罐二、1空氣 固 液 氣2磁鐵礦 釕3(1)建材和肥料(2) H2S CO2 氧化 循環(huán) 尿素 碳銨(3)氰化

5、物 氨 生化 水解 氧化 化學(xué) 反吹 蒸餾 離子交換法堂中互動(dòng)【問題探究1】合成氨的原料氣是如何制備的？【教師點(diǎn)撥】原料制備路線的選擇，應(yīng)綜合考慮資源、工藝、能耗、成本、環(huán)境等重要因從素。分析解答: 制備合成氨的原料氣氮?dú)猓汉铣砂彼枰牡獨(dú)舛既∽钥諝狻目諝庵兄迫〉獨(dú)馔ǔＳ袃煞N方法：一是將空氣液化后蒸發(fā)分離出氧氣而獲得氮?dú)?；另一是將空氣中的氧氣與碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳得到氮?dú)?。氫氣：氫氣則來源于水和碳?xì)浠衔??？梢詫⑺魵馔ㄟ^赤熱的煤(或焦炭)層，使水蒸氣與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣：CH2OCOH2?！炯磳W(xué)即練1】合成氨所需的原料是()水 空氣 焦炭 鐵觸媒A. B. C

6、. D.全部1.C【解析】鐵觸媒是合成氨的催化劑，不屬于原料?！締栴}探究2】原料氣在合成氨之前為何進(jìn)行凈化？如何凈化？氨的合成與分離是如何進(jìn)行的？【教師點(diǎn)撥】一氧化碳的變換具有重要的意義：一是提高了燃料的利用率和氫氣的產(chǎn)率；二是解決了氫氣中的雜質(zhì)難以除去的問題。在原料氣凈化的最后，還要將原料氣作精制處理使雜質(zhì)的含量減少到最低程度。常用的方法之一是用醋酸、銅和氨配成的溶液來吸收H2S、CO、CO2、O2等雜質(zhì)。將氨從反應(yīng)混合物中分離出來，利用的原理是氨易液化，氮?dú)夂蜌錃怆y液化，采用的方法是將混合氣體通過冷凝器使氨液化。循環(huán)操作的主要目的在于充分地利用原料、降低成本；從工藝設(shè)計(jì)以及環(huán)境保護(hù)角度來說

7、，循環(huán)操作有利于實(shí)現(xiàn)全封閉、連續(xù)化生產(chǎn)，有利于減少工序、控制廢棄物的排放，因此，循循環(huán)操作常常成為化學(xué)工藝設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的問題。分析解答：原料氣的凈化對原料氣凈化的原因：在制取原料氣的過程中，?；煊幸恍╇s質(zhì)，其中的某些雜質(zhì)會(huì)使合成氨所用的催化劑“中毒”，所以必須除去，這一過程稱為原料氣的凈化。吸收H2S：用稀氨水吸收H2S雜質(zhì)：NH3H2OH2S=NH4HSH2O。除去CO：制造原料氣過程中產(chǎn)生的CO必須變成CO2除去。工業(yè)生產(chǎn)中在催化劑(如Fe2O3和CuO等)作用下，一氧化碳可以與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣：COH2O=CO2H2，生成的二氧化碳常采用K2CO3溶液吸收：K2CO3CO2

8、H2O=2KHCO3。精制原料氣：用醋酸、銅和氨配制成的溶液來吸收CO、CO2、O2、H2S等少量有害氣體，進(jìn)行精制處理。(2) 為了使氨從沒有反應(yīng)的氮?dú)夂蜌錃饫锓蛛x出來，要把混合氣體通過冷凝器使氨液化，然后在氣體分離器里把液態(tài)氨分離出來導(dǎo)入液氨貯罐。由氣體分離器出來的氣體，經(jīng)過循環(huán)壓縮機(jī)，再送到合成塔中進(jìn)行反應(yīng)。【即學(xué)即練2】下圖是合成氨的簡要流程示意圖：(1)寫出所含主要物質(zhì)的化學(xué)式：A_，B_，C_，D_。(2)寫出設(shè)備名稱：D_，E_。2.(1)A. N2 、H2 B .NH3 C. N2 、H2 D .NH3、N2 、H2 (2)合成塔 分離器 【解析】合成氨的過程是將原料氣(氮?dú)狻?/p>

9、氫氣)壓縮后送入合成塔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，然后冷卻，在分離器的作用下，將液氨分離出來，剩余的氣體(氮?dú)夂蜌錃?再進(jìn)入合成塔內(nèi)合成，這樣循環(huán)利用，可提高產(chǎn)率?！締栴}探究3】聯(lián)合生產(chǎn)是指在整個(gè)生產(chǎn)過程中生產(chǎn)多種產(chǎn)品。根據(jù)合成氨的生產(chǎn)過程，請舉例說明合成氨工業(yè)可以進(jìn)行哪些聯(lián)合生產(chǎn)或深加工？【教師點(diǎn)撥】聯(lián)合生產(chǎn)可以使原料、產(chǎn)品等物料得到充分的利用，減少物流交通所耗費(fèi)的人力、物力，降低產(chǎn)品的成本?？梢詫?shí)現(xiàn)能量和設(shè)備等資源、技術(shù)的共享，也是綠色化學(xué)工藝改進(jìn)的一條重要思路。分析解答：從經(jīng)濟(jì)角度，聯(lián)合生產(chǎn)有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，以求得規(guī)模效益和綜合效益的最大化。例如，合成氨與硝銨、碳銨等氮肥生產(chǎn)：的聯(lián)合，石油精煉廠與合

10、成洗滌劑廠的聯(lián)合生產(chǎn)等?！炯磳W(xué)即練3】氨在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位?，F(xiàn)在約有80%的氨用來制造化肥，其余的用作生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。例如，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、氯化銨、氨水以及各種含氮混合肥料和復(fù)合肥料，都是以氨為原料制成的；氨氧化法制硝酸是工業(yè)上制硝酸的主要方法。(1)對于合成氨的反應(yīng)來說，使用催化劑和施以高壓，下列敘述中正確的是()A.都能提高反應(yīng)速率，都對化學(xué)平衡狀態(tài)無影響B(tài).都對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響，都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間C.都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間，只有壓強(qiáng)對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響D.催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間，而壓強(qiáng)無此作用(2)綜合考慮

11、各種因素，在實(shí)際生產(chǎn)中，合成氨一般選擇以_為催化劑，壓強(qiáng)在_之間，溫度在_左右。(3)要實(shí)現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，首先要解決氫氣和氮?dú)獾膩碓磫栴}。氫氣的制取可有以下幾條途徑：電解水制取氫氣，由煤或焦炭來制取氫氣，由天然氣或重油制取氫氣。你認(rèn)為哪種方法是最佳選擇？_(填序號(hào))，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為_。(4)硝酸廠的尾氣中含有NO和NO2等污染物，為了防止污染大氣可以用燒堿溶液吸收從吸收塔中放出的尾氣，發(fā)生的反應(yīng)如下：2NaOHNONO2=2NaNO2H2O 2NaOH2NO2=NaNO2NaNO3H2O但在實(shí)際生產(chǎn)中常用純堿代替燒堿，也能發(fā)生類似的反應(yīng)，且放出CO2，試寫出用純堿溶液吸收NO和NO

12、2的兩個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式：_；_。3.(1)C(2)鐵觸媒2050 MPa500 (3)CH4H2OCO3H2COH2OCO2H2(4)Na2CO3NONO2=2NaNO2CO2Na2CO32NO2=NaNO2NaNO3CO2【解析】(1)對合成氨的反應(yīng)，催化劑只能提高反應(yīng)速率，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)；高壓能提高化學(xué)反應(yīng)速率，也能使化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)。(3)電解水制氫氣，電能消耗大，成本高；煤作原料，能源消耗大，污染大。天然氣作為潔凈燃料，便于管道運(yùn)輸，有投資省、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。練案A組（課堂反饋 滿分50分）一、選擇題（每小題5分，共35分）1.油炸蝦條、薯片等易碎的食品，不宜選用真空

13、袋裝而應(yīng)采用充氣袋裝。在實(shí)際生產(chǎn)中，充入此類食品袋的是下列氣體中的（ ） A. 氧氣 B. 二氧化碳 C. 空氣 D. 氮?dú)?1.D【解析】易碎食品在儲(chǔ)存的時(shí)候要注意防氧化和抗擠壓。在食品袋中沖入氮?dú)饧瓤梢苑罃D壓又可以防氧化。2.制備干燥氨氣所需的藥品是( ) A. NH4Cl溶液，NaOH溶液，熟石灰 B. 飽和氨水 C. NaOH溶液，NH4Cl晶體，濃硫酸 D. NH4Cl固體，堿石灰，消石灰 2.D【解析】NH4Cl固體和消石灰混合加熱生成NH3，堿石灰吸收水，可得到干燥的氨氣。3.合成氨工業(yè)有下列流程：原料氣制備；氨的合成；原料氣凈化和壓縮；氨的分離。其先后順序?yàn)椋?）A. B. C

14、. D.3.B【解析】對于合成氨工業(yè)工藝流程，首先制取原料氣，然后在進(jìn)入合成塔之前，為防止催化劑中毒及動(dòng)力因素，要對原料氣進(jìn)行凈化和壓縮。進(jìn)入合成塔進(jìn)行合成后，要及時(shí)分離出液氨，并進(jìn)行循環(huán)操作，以增強(qiáng)N2和H2的利用率。4.下圖是合成氨的簡要流程示意圖沿X路線回去的物質(zhì)是()A.N2和H2 B.催化劑 C.NH3 D.H24.A【解析】從合成塔出來的混合氣中有相當(dāng)一部分是未反應(yīng)的氮?dú)夂蜌錃?，單程轉(zhuǎn)化會(huì)造成極大的浪費(fèi)，實(shí)際生產(chǎn)中采用了循環(huán)法，將它們重新送回合成塔繼續(xù)反應(yīng)，同時(shí)不斷地補(bǔ)充新鮮的原料氣。5.用焦炭、水、空氣來制取氨氣的化學(xué)方程式：CH2O(g)COH2，COH2O(g)CO2H2，N

15、23H22NH3，參加反應(yīng)的焦炭與氨氣之間的物質(zhì)的量之比為()A34 B32 C11 D125.A【解析】前兩個(gè)化學(xué)方程相加得：C2H2OCO22H2因此，有關(guān)系式C2H2而N23H22NH3中有：3H22NH3因此，32得3C4NH3，故n(C)n(NH3)34。6.已知焦炭、一氧化碳和烴類化合物都能與水反應(yīng)產(chǎn)生合成尿素的原料氫氣和二氧化碳，從充分利用原料的角度考慮，用下列物質(zhì)生產(chǎn)H2和CO2最為合適的是()A.C B.CO C.天然氣 D.石腦油(C5H12、C6H14)6.D【解析】生產(chǎn)出的H2用于合成NH3：N23H22NH3，再由NH3與CO2合成尿素。由此，可找出H2與CO2的關(guān)系

16、式：3H22NH3CO2。分別寫出備選項(xiàng)中各物質(zhì)與H2O反應(yīng)的化學(xué)方程式：A項(xiàng)CH2OH2CO，COH2OH2CO2總反應(yīng)方程式為：C2H2O2H2CO2；B項(xiàng)COH2OH2CO2；C項(xiàng)CH42H2O4H2CO2；D項(xiàng)C5H1210H2O16H25CO2，C6H1412H2O19H26CO2。產(chǎn)物中，n(H2)n(CO2)最接近31的最合適。7.實(shí)驗(yàn)室合成氨裝置如下圖所示，則以下說法中錯(cuò)誤的是()A.裝置甲的作用之一是干燥 B.裝置甲的作用是化合C.乙處導(dǎo)出的氣體是N2、H2、NH3 D.檢驗(yàn)產(chǎn)物可用濕潤的紅色石蕊試紙或濃鹽酸等7.B【解析】裝置甲的作用有三點(diǎn)：干燥氣體；觀察氣體逸出速率便于控

17、制比例；使氣體混合均勻。二、填空題（共15分）8.(6分) 工業(yè)上合成氨的原料之一氫氣，有一種來源是石油氣，如丙烷。(1)有人設(shè)計(jì)了以下反應(yīng)途徑(反應(yīng)方程式未配平)，假設(shè)反應(yīng)都能進(jìn)行，你認(rèn)為最合理的是()A.C3H8CH2 B.C3H8C3H6H2 C.C3H8H2OCOH2(2)按以上最合理的反應(yīng)途徑，理論上用1 mol丙烷最多可制得氨氣()A.4 molB.6.7 mol C.10 mol D.2.7 mol(3)該合理的反應(yīng)途徑最顯著的優(yōu)點(diǎn)是()A.簡單易行 B.制得的H2純度高 C.制得的H2產(chǎn)量高D.可同時(shí)獲得大量熱量8.(1)C（2分）(2)B（2分）(3)C（2分）【解析】(1)

18、要分析得出哪種反應(yīng)方式生成的H2最多，配平反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：AC3H83C4H2。 BC3H8C3H6H2。CC3H83H2O3CO7H2，生成的CO又能和H2O反應(yīng)：COH2OCO2H2。當(dāng)C3H8均為1 mol時(shí)，C選項(xiàng)的途徑中產(chǎn)生H2最多。(2)C3H83H2O3CO7H2 3CO3H2O3CO23H2 N23H22NH3由以上反應(yīng)可得C3H810H2,3H22NH3。根據(jù)相關(guān)量，進(jìn)行計(jì)算：C3H810H22NH31 mol mol所以1 mol C3H8最多可制得6.7 mol氨，應(yīng)選B。9.(9分) 下圖是工業(yè)生產(chǎn)中合成氨流程示意圖，仔細(xì)觀察圖示中的物質(zhì)變化關(guān)系及工藝特點(diǎn)，回答下

19、列問題：(1)合成氨的整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)包括造氣、凈化、合成氨三大部分，其中上述工藝流程圖示中已經(jīng)將造氣與凈化裝置用豎線分開，請你在圖示中再將凈化與合成氨裝置用豎線分開。(2)合成氨工業(yè)中的氫氣來源于天然氣、煤等物質(zhì)，根據(jù)圖示物質(zhì)的變化關(guān)系寫出兩個(gè)生成氫氣的化學(xué)方程式：_；_。(3)凈化裝置中可以消除造氣過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)，目的是_。(4)目前國家倡導(dǎo)節(jié)能減排，觀察上述工藝流程圖示，寫出合成氨工業(yè)中節(jié)能減排的兩項(xiàng)措施_ _。9.(1)(2分)(2)CH4H2OCO3H2(2分)COH2OCO2H2(2分)(3)防止催化劑中毒(1分)(4)氫氣、氮?dú)獾难h(huán)利用(1分)；利用反應(yīng)產(chǎn)生的熱預(yù)熱合成氣體(1分

20、)【解析】(1)整個(gè)工藝流程圖示分為三部分，即造氣、凈化和合成氨裝置。其中“洗滌塔”就是凈化裝置，而合成塔則是合成氨氣的裝置，另外還有氨氣分離裝置。(2)圖示中進(jìn)入“轉(zhuǎn)化爐”的氣體是甲烷與水蒸氣，而出來的氣體有氫氣、CO，故在轉(zhuǎn)化爐中發(fā)生的甲烷與水蒸氣的反應(yīng)；轉(zhuǎn)化爐中的CO產(chǎn)物對制備合成氨無用，故在“變換塔”中通入水蒸氣使之與一氧化碳反應(yīng)可以制備氫氣。(3)工業(yè)合成氨需要催化劑，而催化劑往往會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)的存在而降低催化效果，所以需要除雜。B組（課后拓展）1.合成NH3所需的H2可由煤與H2O反應(yīng)制得，其中有一步反應(yīng)為CO(g)H2O(g) CO2(g)H2(g)H0。欲提高CO轉(zhuǎn)化率可采用的方法

21、可能有：降低溫度；增大壓強(qiáng)；使用催化劑；增大CO的濃度；增大水蒸氣的濃度，其中正確的組合是()A. B. C. D.1.C【解析】該可逆反應(yīng)的特點(diǎn)為：正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；反應(yīng)前后氣體體積不改變。結(jié)合勒夏特列原理可選出答案。2.在體積為0.5L的恒容密閉容器中充入1.25 mol N2和1.25molH2，進(jìn)行反應(yīng)：N2(g)+3H2(g) 2NH3 (g) = 92. 4kJmol1，在不同溫度下達(dá)到平衡時(shí)測得H2的體積分?jǐn)?shù)如下表所示，下列說說法正確的是( )T/200300400H2的體積分?jǐn)?shù)a1a225%A .a1a2B.若反應(yīng)在400下進(jìn)行，則達(dá)到平衡時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率為20%C.若反應(yīng)在300下進(jìn)行，則達(dá)到平衡時(shí)反應(yīng)放出的熱量為23.1 kJD.若反應(yīng)在200