1、灿若寒星整理制作灿若寒星整理制作课题课题2人工固氮技术人工固氮技术合成氨合成氨课程标准导航课程标准导航1.理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。理，选择合成氨的适宜条件。2了解合成氨生产的一般流程和反应原理、了解合成氨生产的一般流程和反应原理、反应条件等。反应条件等。3通过合成氨的学习，体现化工生产的过通过合成氨的学习，体现化工生产的过程，体现实验室研究与实际生产之间转化过程，体现实验室研究与实际生产之间转化过程。程。新知初探自学导引新知初探自学导引自主学习自主学习氮的固定指的是将氮的固定指的是将_氮转变为氮转变为_氮的方法。氮的方法
2、。一、合成氨的反应原理一、合成氨的反应原理游离态游离态化合态化合态1.如下图为合成氨的实验装置如下图为合成氨的实验装置加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氮加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氮气的混合气体，可以看到湿润的气的混合气体，可以看到湿润的pH试纸变试纸变_色。色。蓝蓝放热放热铁铁4005001030想一想想一想工业合成氨的反应特点是什么？工业合成氨的反应特点是什么？提示：提示：(1)体积减小的反应；体积减小的反应；(2)放热反应；放热反应；(3)反应条件为高温、高压、催化剂。炉反应条件为高温、高压、催化剂。炉(造造气气)、接触室、接触室(催化氧化室催化氧化室)、吸收塔。、吸收塔。二
3、、合成氨的基本生产过程二、合成氨的基本生产过程1.制备合成氨的原料气制备合成氨的原料气(1)制取制取N2：物理方法为将空气：物理方法为将空气_，蒸，蒸发分离出氧气。发分离出氧气。化学方法为碳在空气中燃烧，化学方法为碳在空气中燃烧，O2充分反应后充分反应后除去除去CO2制取氮气。制取氮气。液化液化(2)制取制取H2：用水蒸气通过赤热的煤层，使水蒸气与碳用水蒸气通过赤热的煤层，使水蒸气与碳反应制得。主要反应为反应制得。主要反应为_。也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气中也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气中的碳氢化合物与水蒸气在催化剂作用下制的碳氢化合物与水蒸气在催化剂作用下制备。主要反应为备。主要反
4、应为_。CH2O=COH2 CH4H2O=3H2CO,CH42H2O=4H2CO22.原料气净化处理原料气净化处理(1)原料气净化的原因是有些杂质可使催化剂原料气净化的原因是有些杂质可使催化剂“中毒中毒”。(2)用稀氨水吸收用稀氨水吸收H2S杂质：杂质：_。(3)使使CO变成变成CO2：_。(4)除去除去CO2(用用K2CO3溶液吸收溶液吸收)：_。NH3H2OH2S=NH4HSH2OCOH2O=CO2H2K2CO3CO2H2O=2KHCO33.将原料气合成氨与分离将原料气合成氨与分离从合成塔出来的混合气体，氨气占总体积的从合成塔出来的混合气体，氨气占总体积的15%，要把混合气体通过冷凝器、，
5、要把混合气体通过冷凝器、_,再导入液氨贮罐。再导入液氨贮罐。分离器分离器三、合成氨工业的发展三、合成氨工业的发展1.原料及原料气的净化原料及原料气的净化原料气之一的氮气来自原料气之一的氮气来自_，目前氢气主，目前氢气主要通过不同的要通过不同的_态态(煤和焦炭煤和焦炭)、液态、液态(石石油中提炼的石脑油、重油油中提炼的石脑油、重油)、气态、气态(天然气、天然气、焦炉气焦炉气)可燃物为原料制取。可燃物为原料制取。2.催化剂的改进催化剂的改进多年来一直用多年来一直用_作催化剂，目前有作催化剂，目前有采用采用_为基础活性物质的新型催化剂。为基础活性物质的新型催化剂。空气空气固固磁铁矿磁铁矿钌钌3.环境
6、保护环境保护(1)废渣：可用作原料。废渣：可用作原料。(2)废气：主要是废气：主要是_和和 _等有害气等有害气体，对体，对H2S的处理，可用的处理，可用_法法(选择选择性催化氧化性催化氧化)、_法法(用溶剂吸收浓缩用溶剂吸收浓缩)，CO2可用来生产尿素和碳铵等。可用来生产尿素和碳铵等。H2SCO2直接氧化直接氧化循环循环(3)废液：主要是含废液：主要是含_和含氨的污水，和含氨的污水，处理含氰化物污水主要有处理含氰化物污水主要有_、加压水、加压水解、氧化分解、解、氧化分解、_、反吹回炉等方法。、反吹回炉等方法。处理含氨废水可用蒸馏的方法回收，也可用处理含氨废水可用蒸馏的方法回收，也可用_治理。治
7、理。氰化物氰化物生化生化化学沉淀化学沉淀离子交换法离子交换法自主体验自主体验1.合成氨所需的原料是合成氨所需的原料是()水水空气空气焦炭焦炭铁触媒铁触媒ABCD全部全部解析：选解析：选C。铁触媒是合成氨的催化剂，不。铁触媒是合成氨的催化剂，不属于原料。属于原料。2.(2012长沙高二检测长沙高二检测)合成氨工业中控制的合成氨工业中控制的反应条件应反应条件应()A温度越高越好温度越高越好B压强越大越好压强越大越好C混合气体中氢气含量越高越好混合气体中氢气含量越高越好D所选的催化剂活性越大越好所选的催化剂活性越大越好实际上在合成氨的工业生产中，压强不能太实际上在合成氨的工业生产中，压强不能太大，否
8、则能耗太高，并且对设备的要求高。大，否则能耗太高，并且对设备的要求高。而根据化学平衡移动原理，此反应温度越低而根据化学平衡移动原理，此反应温度越低越有利于平衡向正方向移动，但温度太低，越有利于平衡向正方向移动，但温度太低，则催化剂的催化活性不能很好地发挥，反应则催化剂的催化活性不能很好地发挥，反应速率太慢；为解决上述矛盾，一般选择使催速率太慢；为解决上述矛盾，一般选择使催化剂活性最大时的温度。化剂活性最大时的温度。3.为了进一步提高合成氨的生产效率，科研为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中具有开发价值的是中具有开发价值的是()A研制高温下活性较大的催化剂研制高温下活性较大的催化剂B寻求寻求N
9、H3的新来源的新来源C研制低温下活性较大的催化剂研制低温下活性较大的催化剂D研制耐高温高压的新型材料建造合成塔研制耐高温高压的新型材料建造合成塔解析：选解析：选C。合成氨的反应是放热反应，降。合成氨的反应是放热反应，降低温度有利于提高合成氨的生产效率。低温度有利于提高合成氨的生产效率。要点突破讲练互动要点突破讲练互动探究导引探究导引运用化学反应速率和化学平衡原理的运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素如何选择合成氨的适宜生产条料、设备等因素如何选择合成氨的适宜生产条件？件？合成氨工业生产及适宜条件合成氨工业
10、生产及适宜条件的选择的选择提示：提示：(1)增加增加N2的比例。的比例。(2)一般采用的压强在一般采用的压强在1030 MPa之间。之间。(3)以以500 左右为宜。而且在此温度下催化左右为宜。而且在此温度下催化剂活性最大。剂活性最大。(4)铁触媒为催化剂。铁触媒为催化剂。要点归纳要点归纳(3)合成：使原料气进行化学反应合成氨。及合成：使原料气进行化学反应合成氨。及时分离出氨气，剩余气体再送回合成塔，循时分离出氨气，剩余气体再送回合成塔，循环利用。环利用。(4)“三废三废”处理处理废渣：主要是煤渣和炭黑，可用作肥料的废渣：主要是煤渣和炭黑，可用作肥料的原料和建筑材料。原料和建筑材料。废气：主要
11、是废气：主要是H2S和和CO2等有害气体。等有害气体。H2S可用直接氧化法、循环法等回收技术处理，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。可作为生成尿素和碳铵的原料。(3)催化剂催化剂使用催化剂可加快化学反应速率，但不影响使用催化剂可加快化学反应速率，但不影响化学平衡化学平衡采用以铁为主的催化剂。采用以铁为主的催化剂。(4)循环操作循环操作合成氨转化率较低，要采用循环操作。混合合成氨转化率较低，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来，并将没有完全反应的N2和和H2经过循环压经过循环压缩
12、机，再送入合成塔，使其被充分利用。缩机，再送入合成塔，使其被充分利用。特别提醒特别提醒(1)合成氨原料中的氮气来源广泛，扩大氢气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。原料的来源以降低成本。(2)反应过程中的工艺条件常决定于催化剂的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，以改变反应性能。研究高效的新型催化剂，以改变反应条件。条件。即时应用即时应用(2012新乡高二检测新乡高二检测)利用天然气合成氨的利用天然气合成氨的工艺流程如图所示：工艺流程如图所示：依据上述流程，完成下列填空：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天然气脱硫时的
13、化学方程式是_。(2)n mol CH4经一次转化后产生经一次转化后产生CO 0.9nmol，产生，产生H2_mol(用含用含n的代数式的代数式表示表示)。(3)二次转化的主要原因一是二次转化的主要原因一是_，二是二是_。(4)K2CO3(aq)和和CO2反应在加压条件下进反应在加压条件下进行，加压的理论依据是行，加压的理论依据是_。a相似相溶原理相似相溶原理b勒夏特列原理勒夏特列原理c酸碱中和原理酸碱中和原理(5)由由KHCO3分解得到的分解得到的CO2可以用于可以用于_。(6)整个流程有三处循环，一是整个流程有三处循环，一是Fe(OH)3循环循环,二是二是K2CO3(aq)循环，请在上述流
14、程图中指循环，请在上述流程图中指出第三处循环出第三处循环(循环方向、循环物质循环方向、循环物质)_。解析：根据框图写反应的化学方程式时，一解析：根据框图写反应的化学方程式时，一定要看清框图中的反应物和生成物是什么、定要看清框图中的反应物和生成物是什么、反应的条件如何等重要信息。计算时也必须反应的条件如何等重要信息。计算时也必须根据反应的化学方程式进行。循环物质肯定根据反应的化学方程式进行。循环物质肯定是反应不完全时的剩余物，只有可逆反应才是反应不完全时的剩余物，只有可逆反应才不能完全进行。不能完全进行。题型探究技法归纳题型探究技法归纳合成氨工艺流程合成氨工艺流程 某合成氨工厂工艺流程如图，试回
15、某合成氨工厂工艺流程如图，试回答相关问题。答相关问题。(1)不同的原料生产氢气其经济指标如表：不同的原料生产氢气其经济指标如表：天然天然气气石脑油石脑油重油重油煤焦煤焦油油投资投资/亿元亿元5.66.58.0/能源能源/GJt1(NH3)283035.541.854.4成本成本/元元t1(NH3)257390447220280500_。(3)气体的精制气体的精制经净化的气体仍有少量的经净化的气体仍有少量的CO有害气体。常有害气体。常用的除去用的除去CO的方法有铜洗法和甲烷化法。的方法有铜洗法和甲烷化法。铜洗法的原理：铜洗法的原理：CO(g)CH3COO Cu(NH3)2(aq)NH3(l)CH
16、3COOCu(NH3)3CO(aq)H0；反；反应在铜洗塔中进行，应在铜洗塔中进行，吸收后的铜液送到再吸收后的铜液送到再生器中，在再生器中解吸生器中，在再生器中解吸CO，适宜条件是，适宜条件是_，解吸后铜液循环使用。，解吸后铜液循环使用。【思路点拨思路点拨】解答此题注意以下两点：解答此题注意以下两点：(1)发展前景一方面从成本比较，另一方面还发展前景一方面从成本比较，另一方面还要比较能源消耗，综合两者天然气更具前要比较能源消耗，综合两者天然气更具前景。景。(2)补充方程式的关键是理解题意，最后生成补充方程式的关键是理解题意，最后生成金属氧化物和硫单质。金属氧化物和硫单质。【解析解析】本题考查了
17、平衡原理在工业生产本题考查了平衡原理在工业生产中的应用。反应中的应用。反应中生成中生成SO2，要将，要将SO2转转化成硫单质。金属硫化物中硫显化成硫单质。金属硫化物中硫显2价，价，SO2中硫显中硫显4价，通过两者归中反应可制得价，通过两者归中反应可制得硫。硫。(3)将将CO解吸出来，要使平衡向逆反应解吸出来，要使平衡向逆反应方向移动，因此需要的条件是减压和加热；方向移动，因此需要的条件是减压和加热；甲烷化平衡需正向移动，即条件为高压和适甲烷化平衡需正向移动，即条件为高压和适当温度。当温度。课堂达标即时巩固课堂达标即时巩固热点示例思维拓展热点示例思维拓展经典案例经典案例实验室模拟合成氨和氨催化氧
18、实验室模拟合成氨和氨催化氧化的流程如下：化的流程如下：已知实验室可用饱和亚硝酸钠已知实验室可用饱和亚硝酸钠(NaNO2)溶液溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。(1)从上图中选择制取气体的合适装置：氮气从上图中选择制取气体的合适装置：氮气_、氢气、氢气_。(2)氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有了将气体混合外，还有_、_。(3)氨合成器出来经冷却的气体连续通入乙装氨合成器出来经冷却的气体连续通入乙装置的水中吸收氨，置的水中吸收氨，_(填填“会会”或或“不会不会”)发生倒吸；原因是发生倒吸；原因
19、是_。(4)用乙装置吸收一段时间氨后，再通入空用乙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶气，同时将加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶内，能使铂丝保持红热的原因是内，能使铂丝保持红热的原因是_，锥形瓶中还可观察到的现象是锥形瓶中还可观察到的现象是_。(5)写出乙装置中氨氧化的化学方程式：写出乙装置中氨氧化的化学方程式：_。(6)反应结束后锥形瓶内的溶液中含有反应结束后锥形瓶内的溶液中含有H、OH、_、_。【解析解析】本题是考查氨的合成和氨催化氧本题是考查氨的合成和氨催化氧化的实验题。制取氮气用氯化铵溶液和亚硝化的实验题。制取氮气用氯化铵溶液和亚硝酸钠溶液加热反应生成，故选酸钠溶液加热反应生成，故选a装置，制取装置，制取氢气用锌与稀硫酸反应，不用加热，选氢气用锌与稀硫酸反应，不用加热，选b装装置。甲装置的作用是混合氮气、氢气，干燥置。甲装置的作用是混合氮气、氢气，干燥气体，控制氮气和氢气的流速。从氨合成器气体，控制氮气和氢气的流速。从氨合成器中出来的气体主要是氮气和氢气，通入水中中出来的气体主要是氮气和氢气，通入水中吸收氨气，因为氮气、氢气难溶于水，不会吸收氨气，因为氮气、氢气难溶于水，不会倒吸。倒吸。
