高中化學(xué)主題1空氣資源氨的合成課題2氨的工業(yè)合成學(xué)案魯科版選修2

PAGE課題2氨的工業(yè)合成1．認(rèn)識(shí)合成氨的反應(yīng)原理和特點(diǎn)，并能依據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理綜合考慮合成氨生產(chǎn)中的相關(guān)因素，選擇合成氨反應(yīng)的最佳條件。(重點(diǎn))2．知道獲得大量廉價(jià)的氫氣是實(shí)現(xiàn)合成氨生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題，知道合成氨工業(yè)原料氮?dú)夂蜌錃猥@得的途徑和方法，能夠?qū)懗鱿鄳?yīng)的化學(xué)方程式。(重點(diǎn))3．能根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)分析氮?dú)夂蜌錃獠荒芡耆D(zhuǎn)化的原因，知道循環(huán)法使未轉(zhuǎn)化的氮?dú)夂蜌錃獾玫嚼玫脑砗头椒ā?重難點(diǎn))4．知道選擇適宜的反應(yīng)條件、確定原料路線、解決未轉(zhuǎn)化完全的原料氣的利用是合成氨生產(chǎn)中的主要技術(shù)問(wèn)題。探索合成氨的最佳條件1.合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式：N2＋3H2eq\o(,\s\up8(催化劑),\s\do8(高溫、高壓))2NH3。2．合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)(1)可逆反應(yīng)；(2)放熱反應(yīng)；(3)氣體總體積縮小的反應(yīng)。3．合成氨最佳條件的選擇(1)理論分析從化學(xué)反應(yīng)速率的角度看，升溫、加壓以及使用催化劑都可以使合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率增大。從化學(xué)平衡的角度看，平衡混合氣中氨的含量隨著溫度的升高而降低，隨壓強(qiáng)的增大而提高。這說(shuō)明溫度、壓強(qiáng)對(duì)這一反應(yīng)的化學(xué)平衡有影響：降溫、增壓有利于氨的合成。(2)實(shí)際生產(chǎn)中的最佳條件合成氨一般選擇以鐵觸媒為催化劑，壓強(qiáng)在20～50_MPa之間，溫度在500_℃左右。1．合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在低溫下有利于氨的合成，為什么實(shí)際上選用了500°C的高溫？【提示】目前，合成氨工業(yè)中普遍使用的主要是以鐵為主體的多組分催化劑，又稱鐵觸媒。鐵觸媒在500°C左右時(shí)的活性最大，這也是合成氨反應(yīng)一般選擇在500°C左右進(jìn)行的重要原因之一。如何獲得大量廉價(jià)的原料氣1.獲得氮?dú)獾姆椒ǎ悍蛛x空氣。2．獲得氫氣的方法方法反應(yīng)原理電解水法2H2Oeq\o(=,\s\up8(通電))2H2↑＋O2↑煤或焦炭法C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(高溫))CO＋H2天然氣或重油法CH4＋H2Oeq\o(=,\s\up8(催化劑),\s\do8(高溫))CO＋3H2CO＋H2Oeq\o(=,\s\up8(催化劑),\s\do8(△))CO2＋H22．評(píng)價(jià)上述幾種制氫方法，你認(rèn)為哪種方法是最佳選擇？【提示】電解水制氫氣，電能消耗大，成本高；天然氣與煤相比較，天然氣輸送方便、投資省、能耗低。所以用天然氣做合成氨的原料為最佳選擇。怎樣利用未轉(zhuǎn)化的氮?dú)夂蜌錃庠趯?shí)際生產(chǎn)中采用了循環(huán)法，先通過(guò)冷凝把氨從合成塔出來(lái)的混合氣中分離出來(lái)，余下未反應(yīng)的氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚庥醚h(huán)壓縮機(jī)重新送入合成塔進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)不斷地補(bǔ)充新鮮的原料氣，這樣氨的合成就形成了一個(gè)循環(huán)流程，使氮?dú)夂蜌錃獾玫匠浞掷谩：铣砂睏l件的選擇【問(wèn)題導(dǎo)思】①合成氨工業(yè)生產(chǎn)的要求是什么？【提示】a．反應(yīng)有較大的反應(yīng)速率；b.最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。②影響化學(xué)平衡移動(dòng)的外界因素有哪些？【提示】溫度、濃度、壓強(qiáng)。③合成氨實(shí)際生產(chǎn)中采用高溫、高壓、催化劑，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】高溫不利于平衡正向移動(dòng)；催化劑對(duì)化學(xué)平衡無(wú)影響；高壓利于平衡正向移動(dòng)，能提高平衡混合物中NH3的百分含量。1．合成氨生產(chǎn)的要求合成氨工業(yè)要求：①反應(yīng)要有較大的反應(yīng)速率；②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的正向移動(dòng)時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速率不一定加快。1．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說(shuō)法中，正確的是()A．從合成塔出來(lái)的混合氣體中，氨氣占15%，所以生產(chǎn)氨的工廠的效率都很低B．由于氨易液化，N2和H2在實(shí)際生產(chǎn)中循環(huán)使用，所以總體來(lái)說(shuō)，氨的產(chǎn)率很高C．合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500℃，目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)D．我國(guó)合成氨廠采用的壓強(qiáng)是20～50MPa，因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大【解析】雖然從合成塔出來(lái)的混合氣體中NH3只占15%，但由于原料氣N2和H2循環(huán)使用和不斷分離出液氨，所以生產(chǎn)NH3的效率還是很高的，因此A項(xiàng)不正確；控制反應(yīng)溫度為500℃，一是為了使反應(yīng)速率不至于很低，二是為了使催化劑活性最大，因此C項(xiàng)不正確；增大壓強(qiáng)有利于NH3的合成，但壓強(qiáng)越大，需要的動(dòng)力越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，我國(guó)的合成氨廠一般采用20～50MPa，但這并不是因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大，因此D項(xiàng)不正確?！敬鸢浮緽合成氨的生產(chǎn)工藝及原料氣的制備【問(wèn)題導(dǎo)思】①合成氨生產(chǎn)中需要的原料氣是什么？【提示】氮?dú)夂蜌錃?。②如何獲得合成氨原料氣？【提示】獲得N2的方法：來(lái)自空氣，分離方法有深冷分離、變壓吸附分離、分離膜分離。獲得H2的方法：電解水、由煤或焦炭制H2、由天然氣或重油制H2。③如何能提高合成氨工業(yè)中原料氣的利用率？【提示】使平衡正向移動(dòng)：加壓、不斷分離出NH3、將N2、H2循環(huán)利用。1．工藝流程2．氮?dú)獾闹苽?1)物理方法：將空氣用深冷分離、變壓吸附分離或膜分離制得N2和O2。(2)工業(yè)上所采用的化學(xué)方法：用煤在空氣中燃燒，除去O2，吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后，得到N2。3．氫氣的制造合成氨原料來(lái)源的關(guān)鍵是如何獲得大量廉價(jià)的氫氣。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)境等重要因素。由電解水制氫氣，電能消耗大，成本高，不適于制取大量的氫氣。下圖是工業(yè)合成氨及與之相關(guān)的工藝流程圖。仔細(xì)閱讀、分析上述框圖，并解答下列問(wèn)題：(1)寫出①、②的操作方法：①________、②________。(2)寫出A、B兩個(gè)化學(xué)方程式：A____________________________________、B______________________________________________________________。(3)Ⅰ、Ⅱ的氣體成分相同嗎？________。(4)節(jié)能降耗勢(shì)在必行，也是工業(yè)發(fā)展的命脈。就上述工藝流程框圖，指出該框圖中的一條符合節(jié)能降耗宗旨的措施：______________________________?！窘馕觥?1)工業(yè)合成氨的氮?dú)庠蟻?lái)自于空氣，傳統(tǒng)的空氣分離方法是降溫、加壓而液化，然后升溫精餾分離，這種方法叫深冷分離，現(xiàn)在工業(yè)上也常采用膜分離技術(shù)。(2)合成氨的氫氣多來(lái)自石油、天然氣，目前也多采用煤的綜合利用，如煤的液化操作；工業(yè)合成氨采用的條件是高溫、高壓和催化劑。(3)進(jìn)入熱交換器的是溫度較高的氨氣、氮?dú)夂蜌錃饣旌蠚怏w，而從其中出來(lái)的仍然是這些氣體，不同的是溫度降低了。(4)工業(yè)生產(chǎn)往往采用循環(huán)利用原料、熱量，采用廢物利用來(lái)提高經(jīng)濟(jì)效益，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的?！敬鸢浮?1)①液化(或答“深冷分離”、“膜分離”都可以)②冷凝(2)C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(高溫))CO＋H2或CH4＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(催化劑),\s\do8(高溫))CO＋3H2或CH4＋2H2O(g)eq\o(=,\s\up8(催化劑),\s\do8(高溫))CO2＋4H2(寫出其中任何一個(gè)即可)3H2＋N2eq\o(,\s\up8(高溫、高壓),\s\do8(催化劑))2NH3(3)相同(4)液化分離液氨后的氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)利用(或“熱的氨氣、氫氣和氮?dú)饣旌蠚怏w與冷的氮?dú)狻錃饣旌蠚怏w進(jìn)行熱交換”)2．下面是合成氨的簡(jiǎn)要流程示意圖：【導(dǎo)學(xué)號(hào)：28920005】沿X路線回去的物質(zhì)是()A．N2和H2 B．催化劑C．NH3 D．H2【答案】A1．熟記合成氨反應(yīng)的1個(gè)化學(xué)方程式：N2＋3H2eq\o(,\s\up8(高溫、高壓),\s\do8(催化劑))2NH3。2．明確合成氨反應(yīng)的3個(gè)特點(diǎn)：(1)可逆反應(yīng)；(2)放熱反應(yīng)；(3)氣體總體積減小的反應(yīng)。3．知道合成氨2種原料氣的獲得方法：氮?dú)狻蛛x空氣；氫氣——煤或焦炭法、天然氣或重油法。4．理解工業(yè)合成氨的3個(gè)條件。(1)500℃；(2)20～50MPa；(3)鐵觸媒作催化劑。1．在合成氨反應(yīng)N2＋3H22NH3中，在下列情況下，不能使化學(xué)反應(yīng)速率增大的是()A．加入氮?dú)?B．加入合適的催化劑C．減小壓強(qiáng)，擴(kuò)大容器體積 D．適當(dāng)升高溫度【解析】加快反應(yīng)速率的外界條件有：升高溫度、增大壓強(qiáng)(有氣體參加的反應(yīng))、增大反應(yīng)物濃度、使用催化劑等?！敬鸢浮緾2．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，可用勒·夏特列原理來(lái)解釋的是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：28920006】A．使用鐵觸媒，將N2和H2混合有利于合成氨B．高壓比常壓條件更有利于合成氨C．450℃左右比室溫更有利于合成氨D．合成氨時(shí)采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率【解析】勒夏特列原理運(yùn)用范圍，就是能使已平衡的可逆反應(yīng)發(fā)生平衡移動(dòng)的一些因素。選項(xiàng)A中催化劑不能使平衡移動(dòng)；選項(xiàng)B中加壓可使合成氨反應(yīng)正向移動(dòng)；選項(xiàng)C中高溫不利于合成氨，只能加快反應(yīng)速率，另外，450℃左右鐵觸媒活性最大；選項(xiàng)D中，循環(huán)使用，不涉及平衡移動(dòng)問(wèn)題。【答案】B3．1908年德國(guó)化學(xué)家哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大滿足了當(dāng)時(shí)日益增長(zhǎng)的人口對(duì)糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是()A．①②③ B．②④⑤C．①③⑤ D．②③④【解析】合成氨反應(yīng)為氣體分子總數(shù)減少的放熱反應(yīng)，操作①是為了除去雜質(zhì)，防止催化劑中毒；②增大壓強(qiáng)，有利于該反應(yīng)向右進(jìn)行，能夠提高轉(zhuǎn)化率；③催化劑只能加快反應(yīng)速率，不影響化學(xué)平衡，故不能提高轉(zhuǎn)化率；④將產(chǎn)物NH3液化分離和⑤循環(huán)操作，均能使原料更充分地利用，提高原料的轉(zhuǎn)化率?！敬鸢浮緽4．對(duì)于可逆反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，下列說(shuō)法正確的是()A．達(dá)到平衡時(shí)反應(yīng)物和生成物濃度一定相等B．達(dá)到平衡后加入氨氣，重新達(dá)到平衡時(shí)，氨氣的濃度比原平衡時(shí)大C．達(dá)到平衡時(shí)，升高溫度加快了吸熱反應(yīng)的速率，降低了放熱反應(yīng)的速率，所以平衡向逆反應(yīng)的方向移動(dòng)D．加入催化劑可以縮短到達(dá)平衡的時(shí)間，這是因?yàn)榧涌炝苏磻?yīng)的速率，而減慢了逆反應(yīng)的速率【解析】本題往往錯(cuò)選C、D，原因是對(duì)升高溫度可以使平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)的原因認(rèn)識(shí)不清；對(duì)使用催化劑可縮短到達(dá)