高三5.3化工生产复习学案.doc

高三5.3 化工生产复习学案【考试要求】主题学习内容要求说明化学与化学工业化工生产硝酸工业及其原理氨的氧化A(1)结合合成氨、了解氮4种主要化合价(3、+2、+4、+5)的化合物 (2)用化学平衡的观点认识NO2用水吸收合成硝酸 (3)物料平衡的思想 (4)能源充分利用的思想 (5)绿色化学的思想NO、NO2A硝酸与硝酸盐B侯氏制碱法原理和简单流程制碱原理B侯氏与索氏法的比较C氯碱工业和电解池的改进氯碱工业原理B电解池的改进A石油化工以乙烯为原料的化工生产制乙醛、乙酸B理解合成的化学原理制氯乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯B化学计算实际生产的有关计算C【要点梳理】1硝酸工业（1）氨催化氧化法制硝酸原理：空气过量时的反应： 、 （2）浓缩剂：硝酸镁或浓硫酸 （3）尾气处理：NO+NO2+2NaOH2NaNO2+H2O（4）NO、NO2、硝酸与硝酸盐的性质及其转化关系：（5）有关实验：硝酸的强氧化性：浓硝酸跟铜、稀硝酸跟铜、浓硝酸跟炭加热的实验现象分别是 ；反应是 。实验室制硝酸：将空气、氨气混合依次通过碱石灰、红热的三氧化二铬，用烧瓶收集产物，并通入石蕊溶液中。现象是 ；反应是 。2氯碱工业电解饱和食盐水制得烧碱、氢气和氯气的工业。（1）原料：精制的饱和食盐水。（2）主要设备：立式隔膜电解槽/改进为离子交换膜电解槽。其中石棉隔膜/离子交换膜的作用都是 。（3）电极反应：阳极（石墨棒/金属钛）：2Cl-2eCl2；阴极（铁棒/碳钢网）：2H+2eH2（4）电解总反应： （5）有关实验：除去Ca2+、Mg2+、SO42-杂质的实验步骤是 。电解饱和食盐水：观察到 。3纯碱工业侯氏联合制碱法与索氏制碱法（氨碱法）的比较如下：（1）基本原理相同：都是在饱和食盐水中先通入氨气（氨化）后，再通入CO2，使溶解度较小的NaHCO3 结晶析出，经过过滤、洗涤、煅烧NaHCO3而得产品纯碱，NaHCO3分解产生的CO2可循环使用。有关反应： 。（2）不同的是：索氏制碱法（氨碱法）：是用煅烧石灰石的方法提供CO2，并使生石灰转化为消石灰，与分离出的氯化铵反应，产生可循环使用的氨气。有关反应：CaCO3 CaO + CO2、CaO + H2O Ca(OH)2、Ca(OH)2 + 2NH4Cl2NH3+2H2O +CaCl2。其总反应是 。 其缺点是：食盐的利用率低（仅为72%74%）；有大量含有CaCl2的废液排出。侯氏联合制碱法：将合成氨法与氨碱法工艺联合，同时制造纯碱和氯化铵。此法以食盐、氨气和CO2（合成氨工业的副产品）为原料；在分离出碳酸氢钠的滤液里继续通入氨气、冷冻、加入食盐，使氯化铵成晶体析出，经过滤、洗涤、干燥而得氯化铵化肥；分离出氯化铵后由食盐所饱和的滤液，再通入氨气和CO2，循环利用。其总反应是 。其优点是：能充分利用食盐中的钠和氯（提高了食盐的利用率）；避免产生大量含有CaCl2的废液；并可节省石灰窑、蒸氨塔等设备。4硫酸工业：接触法制硫酸的三个阶段、三个反应、三种设备及化工原理：O2煅烧H2O(98.3%H2SO4)O2 V2O5 （1）三个阶段：造气 接触氧化 SO3的吸收（2）三个反应：FeS2 SO2 SO3 H2SO4（3）三种设备： 沸腾炉 接触室 吸收塔有关反应： 。（4）SO2氧化条件的选择：在400500时，V2O5作催化剂，常压。选择依据是：在此温度下，催化剂 强，反应 快；常压时的 已经较高、高压 高。（5）化工原理：粉碎硫铁矿；净化炉气；热交换；逆流吸收SO3；尾气处理（氨水吸收）。 （6）综合效益：环境保护、副产品综合利用；反应热的充分利用；生产规模及厂址选择。5盐酸工业：用氢气和氯气化合生成氯化氢，再用水吸收。（1）反应原理：H2+Cl2 2HCl （2）主要设备：合成塔。（3）注意事项：氢气在 管，氯气在 管，使H2过量以保证Cl2完全反应，避免污染空气。6合成氨工业（1）反应原理：N2+3H22NH3+Q （2）主要设备：合成塔。（3）合成氨条件的选择：增大N2、H2浓度，及时分离出氨；适当的温度（500左右）和压强（2107Pa5107Pa）；采用铁催化剂。（4）合成氨工业流程：原料气制取净化压缩合成分离液氨，原料 利用。7石油化工将石油 净化、分离得到有机化工原料，用来合成 等产品的工业。（1）制乙醛、乙酸： 2CH2=CH2+O22CH3CHO 2CH3CHO+O22CH3COOH（2）制氯乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯：CHCH+HClCH2=CHClnCH2=CHCl CH2-CHCl n 8化工生产的基本原理（1）充分利用原料体现物料平衡思想。例如：合成氨生产、纯碱生产中都有原料 利用的工艺；接触法制硫酸、氨氧化制硝酸中都利用廉价的 来提高原料气的转化率。（2）充分利用能量体现能量守恒思想。例如：若存在放热步骤，可通过列管式 器利用放出的热量对需要加热的物料进行预热；若不存在放热步骤，要设计出充分利用燃料和充分利用能量的工艺。（3）保护环境体现绿色化学思想：是指工业生产的过程中没有（或者极少有）有毒、有害物质排出，合成产品的原子利用率尽量达到 。9实际生产的计算（1）有关多步反应的计算：一般是根据 采用物质转化关系式法求解。（2）有关原料利用率、产物产率的计算：原料利用率=1 - 原料损失率原料利用率= 产物产率=要注意把各步反应中的原料利用率(或转化率)和产品产率相乘归于起始原料的 。（3）有关废气处理、循环补充、平行反应的计算：根据物料平衡的思想。【考点例析】1氯碱、盐酸工业例1 氢氧化钠是一种用途十分广泛的重要化工原料。工业上主要通过电解氯化钠饱和溶液的方法获得氢氧化钠,我国的氯碱工业大多数已改进为离子交换膜电解槽。（1）写出电解饱和氯化钠溶液时电极反应和总的离子反应方程式：阳极： ；阴极： ；总反应： 。（2）离子交换膜电解槽一般采用金属钛作阳极,其原因是 。阴极一般用碳钢网制成。阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室,其作用是 。（3）右图为阳离子交换膜法电解饱和食盐水原理示意图。下列说法不正确的是 。A从E口逸出的气体是H2B从B口加入含少量NaOH的水溶液以增强导电性C标准状况下每生成22.4 LCl2，便产生2 mol NaOHD电解一段时间后加适量盐酸可以恢复到电解前的浓度（4）为使电解氯化钠的速度加快,下列措施不可行的是 。A增大阴极碳钢网的面积 B提高饱和氯化钠溶液的温度 C加大阴极与阳极间的距离 D提高电解时电源电压（5）如果电解时，采取以下措施：电压增大到原来的2倍；电流强度增大到原来的2倍；温度从30提高到60,则电解速率一定会达到原来2倍的是 ，其原因是 。(6)某氯碱厂日产50%烧碱溶液3.0t。该厂日产氯气和氢气的体积（标准状况）各为 m3；若把这些氯气和氢气用右图所示合成塔制成38%的盐酸，其中氢气入口为 （填A或B），若氢气利用率为80%，则日产盐酸 吨。小结：掌握氯碱、盐酸工业的关键是要加强对电解饱和食盐水原理的理解。2纯碱工业 例2 联碱法（候氏制碱法）和氨碱法的生产流程简要表示如下图：CO2Na2CO3X食盐水循环II循环I母液NH4Cl煅烧炉合成氨厂沉淀池NH3NH3食盐细粉Z冷却至10以下，过滤联碱法（候氏制碱法）生产流程示意图CO2Na2CO3X食盐水，NH3母液煅烧炉煅烧沉淀池CaOY排出液W循环II循环I氨碱法生产流程示意图石灰石（1）沉淀池中发生反应的化学方程式为_。（2）填写化学式：X是_，Y是_；Z中除了溶解的氨气、食盐外，其它溶质还有_；排出液中的溶质除了氢氧化钙外，还有_。（3）在氨碱法生产过程中氨要循环使用，但不需要补充，在母液中加生石灰前先要加热的原因是 。氨碱法总反应过程可用化学方程式表示为_。（4）根据联碱法中从母液中提取氯化铵晶体的过程推测，所得结论正确是_。a常温时氯化铵的溶解度比氯化钠小 b通入氨气能增大NH4+的浓度，使氯化铵更多析出c加入食盐细粉能提高Na+的浓度， 使NaHCO3结晶析出d. 通入氨气能使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出的NH4Cl纯度（5）联碱法中，每当通入NH3 44.8L（已折合成标准状况下）时可以得到纯碱100.0g，则NH3的利用率为_；相比于氨碱法，氯化钠的利用率从70%提高到90%以上，主要是设计了（填上述流程中的编号）。指出联碱法的另一项优点_。（6）绿色化学的重要原则之一是提高反应的原子利用率。根据“联合制碱法”总反应，列出计算原子利用率的表达式：原子利用率（%）= 。小结：掌握纯碱工业的关键是要区别联碱法和氨碱法的异同，深入理解有关的实验原理。3硫酸、硝酸、合成氨工业例3 硫酸工业在国民经济中占有极其重要的地位。 （1）硫酸的最大消费渠道是化肥工业，用硫酸制造的常见化肥有 （任写一种）。 （2）硫酸生产中，根据勒夏特列原理来确定的条件或措施有 （填写序号）。A矿石加入沸腾炉之前先粉碎 B使用V2O5作催化剂C接触室中使用适宜的温度 D净化后的炉气中要有过量的空气E催化氧化在常压下进行 F吸收塔中用98.3%的浓硫酸吸收SO3 （3）在硫酸工业中，通过下列反应使二氧化硫转化为三氧化硫：催化剂2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g）+ 196.6kJ在实际工业生产中，常采用“二转二吸法”，即将第一次转化生成的SO2分离后，将未转化的SO2进行二次转化，假若两次SO2的转化率均为95%，则最终SO2的转化率为 。 （4）硫酸的工业制法涉及三个主要的化学反应及相应的设备（沸腾炉、接触室、吸收塔）。三个设备分别使反应物之间或冷热气体间进行了“对流”。请简述接触室中冷热气体之间对流的意义： 。工业生产中常用氨酸法进行尾气脱硫，以达到消除污染、废物利用的目的。用化学方程式表示其反应原理： 。例4 工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如下：（1）某温度下体积为200L的氨合成塔中，测得如下数据：时间（h）浓度（mol/L）01234N21.5001.4001.200C1C1H24.5004.2003.600C2C2NH300.2000.600C3C3根据表中数据计算小时内N2的平均反应速率mol/(Lh)若起始时与平衡时的压强之比为a，则N2的转化率为（用含a的代数式表示）（2）希腊阿里斯多德大学的 George Marnellos 和 Michael Stoukides，发明了一种合成氨的新方法，在常压下，把氢气和用氦气稀释的氮气分别通入一个加热到570的电解池，利用能通过氢离子的多孔陶瓷固体作电解质，氢气和氮气在电极上合成了氨，转化率达到78%，则氨气在电解池的（填“阴极”或“阳极”）逸出。（3）氨气和氧气从145就开始反应，在不同温度和催化剂条件下生成不同产物（如右图）：4NH35O24NO6H2O K1=11053（900）4NH33O22N26H2O K2=11067（900）温度较低时以生成为主，温度高于900时，NO产率下降的原因是 。用化学平衡观点解释吸收塔中需要补充空气的原因 。（4）尾气处理时小型化工厂常用尿素作为氮氧化物的吸收剂，此法运行费用低，吸收效果好，不产生二次污染，吸收后尾气中NOx的去除率高达99.95%。其主要的反应为氮氧化物混合气与水反应生成亚硝酸，亚硝酸再与尿素CO(NH2) 2反应生成CO2和N2请写出有关反应化学方程式 ， 。小结：掌握硫酸、硝酸、合成氨工业的关键是要理解有关的化学平衡和尾气处理的原理。4石油化工例5(全国高考题)由乙烯和其它无机原料按以下路线合成环状化合物E和高分子化合物F、G。（1）写出反应类型： ； ； 。（2）请在上述方框内填入合适的化合物的结构简式。（3）请写出A和E的水解反应的化学方程式。 例6 （2008年上海高考题）近年来，由于石油价格不断上涨，以煤为原料制备一些化工产品的前景又被看好。下图是以煤为原料生产聚氯乙烯（PVC）和人造羊毛的合成路线。请回答下列问题：（1）写出反应类型：反应 反应 。（2）写出结构简式PVC C 。（3）写出AD的化学方程式 。（4）与D互为同分异构体且可发生碱性水解的物质有 种（不包括环状化合物），写出其中一种的结构简式 。小结：掌握石油化工的关键是要理解有关的有机合成原理。5化工生产原理的应用例7 （2007年上海高考题）将磷肥生产中形成的副产物石膏（CaSO42H2O）转化为硫酸钾肥料和氯化钙水合物储热材料，无论从经济效益、资源综合利用还是从环境保护角度看都具有重要意义。以下是石膏转化为硫酸钾和氯化钙的工艺流程示意图。（1）本工艺中所用的原料除CaSO42H2O、KCl外，还需要 等原料（2）写出石膏悬浊液中加入碳酸铵溶液后发生反应的离子方程式： （3）过滤操作所得固体中，除CaCO3外还含有 （填化学式）等物质，该固体可用作生产水泥的原料。（4）过滤操作所得滤液是(NH4)2SO4溶液。检验滤液中含有CO32的方法是 。（5）已知不同温度下K2SO4在100g水中达到饱和时溶解的量如下表：温度（）02060K2SO4溶解的量(g)7.411.118.260时K2SO4的饱和溶液591g冷却到0，可析出K2SO4晶体 g。（6）CaCl26H2O是目前常用的无机储热材料，选择的依据是 。a 熔点较低（29熔化） b 能导电 c 能制冷 d 无毒（7）上述工艺流程中体现绿色化学理念的是： 。小结：掌握化工生产原理应用的关键是：转化推断应用物料平衡，循环利用体现绿色化学，穿插实验定性还要定量。6实际生产的计算例8 某硫酸厂用接触法制硫酸的生产过程中，在煅烧黄铁矿时损失硫5%（质量分数，下同）；在SO2的催化氧化时，SO3的产率为92%；在吸收塔中损失SO30.6%。现有含FeS295%的黄铁矿（杂质不含硫元素）100t，可制得98%的浓硫酸多少吨？例9（2006年上海高考）已知：4NH3十5O2 4NO+6H2O 4NO十3O2十2H2O4HNO3设空气中氧气的体积分数为0.20，氮气体积分数为0.80,请完成下列填空及计算。(1)amolNO完全转化为HNO3需要氧气_ mol(2)为使NH3恰好完全氧化为一氧化氮，氨空气混合物中氨的体积分数为_(保留2位小数)。(3)20.0mol的NH3用空气氧化，产生混合物的组成为：NO18.0mol、O212.0 mol、N2150.0 mol和一定量的硝酸，以及其它成分(高温下NO和O2不反应)。 计算氨转化为NO和HNO3的转化率。(4) 20.0mol的NH3和一定量空气充分反应后，再转化为HNO3 在下图中画出HNO3的物质的量n(A)和空气的物质的量n(B)关系的理论曲线。写出当125n(B) 200时，n(A)和n(B)的关系式_。小结：掌握实际生产计算的关键是要加强物料平衡思想的应用。【同步训练】1.“绿色化学”是当今社会提出的一个新概念。在用丙炔合成C5H8O2(2-甲基丙烯酸甲酯)的过程中，欲使原子的利用率达到最高，在催化剂作用下还需要其他的反应物是 ( )ACO和CH3OH BC2H4和H2O C.H2和CO DCH3OH和H22.某氯碱厂用电解饱和食盐水制取氢氧化钠。（1）在电解过程中，与电源负极相连的电极称 极，它附近溶液的pH （填“变大”、“变小”或“不变”）。电解饱和食盐水的化学方程式为 。（2）“84消毒液”的主要成分为次氯酸钠，利用氯碱厂的产品可联合生产“84消毒液”，其反应的离子方程式为 。（3）粗盐中含有Ca2+、Mg2+、SO42-，为了有效除去这些离子，加入试剂的合理顺序依次为 。 A.BaCl2、NaOH、Na2CO3、HCl B.NaOH、BaCl2、Na2CO3、HClC.Na2CO3、BaCl2、NaOH、HCl D.HCl、BaCl2、Na2CO3、NaOH3（2010上海高考）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）4.（2011虹口区一模）红矾钠（重铬酸钠：Na2Cr2O72H2O）是重要的基础化工原料。铬常见价态有+3、+6价。铬的主要自然资源是铬铁矿FeCr2O4（含有Al2O3、MgO、SiO2等杂质），实验室模拟工业以铬铁矿为原料生产红矾钠的主要流程如下：中主要反应：4 FeCr2O4 + 8Na2CO3 + 7O2 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO2中副反应：Al2O3 +Na2CO3 2NaAlO2+CO2，SiO2 +Na2CO3 Na2SiO3 +CO2（1）FeCr2O4化学名为亚铬酸亚铁，写出它的氧化物形式_。步骤“”的反应器材质应选用_（填“瓷质”、“铁质”或“石英质”）。（2）“”中滤渣1的成分是_， “”中调pH值是_ (填“调高”或“调低”)，“”中 滤渣2的成分是_。（3）“”酸化的目的是使CrO42转化为Cr2O72，写出平衡转化的离子方程式：_。（4）右图是Na2Cr2O72H2O和Na2SO4的溶解度曲线，则操作I是_，操作II是_（填序号）。蒸发浓缩，趁热过滤 降温结晶，过滤（5）已知某铬铁矿含铬元素34%，进行步骤中损失2%，步骤中产率为92%，则1吨该矿石理论上可生产红矾钠_吨。5（2011江苏一模）高铁酸钾是一种高效的多功能的水处理剂。工业上常采用NaClO氧化法生产，原理为：3NaClO + 2Fe(NO3)3 + 10NaOH2Na2FeO4+ 3NaCl + 6NaNO3 + 5H2O Na2FeO42KOHK2FeO42NaOH。主要的生产流程如下：（1）写出反应的离子方程式 。（2）流程图中“转化”是在某低温下进行的，说明此温度下溶解度s(K2FeO4) s