2012高中化学 第1单元课题2人工固氮技术——合成氨同步导学课件 新人教版选修2

课题2人工固氮技术 合成氨 1 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 2 了解合成氨生产的一般流程和反应原理 反应条件等 3 介绍合成氨 体现化工生产的过程 体现实验室研究与实际生产之间的转化过程 一 氮的存在和固定1 存在地壳中含量只有 大气中氮气占空气体积的 2 氮的固定 1 概念 氮的固定是指的方法 2 分类 0 04 78 将游离态氮转化为化合态氮 二 合成氨的反应原理1 反应原理用氢气和氮气合成氨的化学方程式为 2 反应特点合成氨反应是一个 的反应 3 反应条件工业上 合成氨的适宜条件为 可逆 放热 气体分子总数减少 铁作催化剂 400 500 的温度 10 30MPa的压强 三 合成氨的基本生产过程合成氨的基本生产过程主要包括三个步骤 造气 制备合 成氨的原料气 净化 原料气净化处理 合成 使原料气进行 化学反应合成氨 1 原料气的制备 1 氮气的制备 物理方法 化学方法 将空气中的氧气与作用生成 再除去 2 氢气的制备 碳与水蒸气的反应 用方程式表示为 水蒸气与碳氢化合物的反应 用方程式表示为 碳 CO2 CO2 2 原料气的净化 1 含义 原料气的净化是指 目的是 2 净化方法 H2S的除去 用方程式表示为 CO的除去 用方程式表示为 CO2的除去 用方程式表示为 除去原料中杂质的过程 防止催化剂中毒 H2S NH3 H2O NH4HS H2O K2CO3 CO2 H2O 2KHCO3 3 氨的合成与分离 1 氨的合成 将净化后的原料气加压送进 在适宜条件下充分反应制取氨 2 从合成塔出来的混合气体 其中氨气占总体积的15 要把混合气体通过使氨液化 再导入 四 合成氨工业的发展合成氨工业的主要研究领域有 合成塔 冷凝器 液氨贮罐 原料及原料气的净化 催化剂的改进 环境保护 一 合成氨适宜条件的选择如果你是一个合成氨工厂的厂长 你对合成氨生产有何要求 学生交流 提示 合成氨生产的要求合成氨工业要求 反应要有较大的反应速率 要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量 工业合成氨的反应特点是什么 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 材料 设备等因素如何选择合成氨的适宜生产条件 师生互动 提示 1 浓度 因为增大反应物浓度 能提高反应速率和转化率 故生产中常使用廉价易得的原料适当过量 以提高另一原料的利用率 因此生产中常适当增加N2的比例 2 压强 无论从反应速率还是化学平衡考虑 压强越大越有利于合成氨 但压强太大 动力消耗大 设备的质量和制造水平要求高 故必须综合考虑 目前我国合成氨厂一般采用的压强在10 30MPa之间 3 温度 对于放热反应 升温可提高反应速率 但转化率降低 若温度太低 反应速率又太慢 综合考虑以500 左右为宜 而且在此温度下催化剂活性最大 4 催化剂 加快反应速率但不影响平衡 可以提高单位时间内氨的产量 目前工业上多以铁触媒为催化剂 下列有关合成氨工业的叙述 可用勒夏特列原理来解释的是 A 使用铁触媒 使N2和H2混合气体有利于合成氨B 高压比常压条件更有利于合成氨的反应C 500 左右比室温更有利于合成氨的反应D 合成氨时采用循环操作 可提高原料的利用率 解析 勒夏特列原理运用范围 就是能使已平衡的可逆反应发生平衡移动的一些因素 选项A中催化剂不能使平衡移动 选项B中加压可使合成氨反应正向移动 选项C中高温不利于合成氨 只能加快反应速率 另外 500 左右铁触媒活性最大 选项D中 循环使用 不涉及平衡移动问题 答案 B 点评 勒夏特列原理只能解释有关平衡移动问题 不能用于解释化学反应速率问题 有效碰撞理论 勒夏特列原理各有其应用的对象 应加以区分 1 下列关于氮气 氢气合成氨的说法中 正确的是 A 将氮气 氢气合成氨 必须施加高温 高压 催化剂等反应条件B 在氮气 氢气合成氨的化学反应中 催化剂的性能对反应物的温度和压强的高低具有一定的制约作用C 现代工业上实施的合成氨属于仿生固氮D 现代工业上实施的合成氨属于人工固氮 解析 催化剂是影响化学反应速率外部因素中的主角 催化剂的性能强了 可以适当降低反应物的温度和压强 催化剂的性能弱了 就要适当的提高反应物的温度和压强 催化剂固有性能的发挥与温度有直接的关系 温度太高或太低 都会降低催化剂的活性 生物固氮 是自然界中的一些微生物种群 如豆科植物的根廇菌 以自身的固氮酶为催化剂 在常温 常压下 通过生物化学过程 将空气中的氮气转化成含氮化合物的固氮过程 仿生固氮是人为的利用具有固氮酶作用的人造催化剂在常温 常压下的固氮 显然 现代工业上实施的合成氨不属于仿生固氮 答案 BD 二 合成氨的基本生产过程合成氨的原料气是如何制备的 学生交流 提示 制备合成氨的原料气氮气 合成氨所需要的氮气都取自空气 从空气中制取氮气通常有两种方法 一是将空气液化后蒸发分离出氧气而获得氮气 另一是将空气中的氧气与碳作用生成二氧化碳 再除去二氧化碳得到氮气 氢气 氢气则来源于水和碳氢化合物 可以将水蒸气通过赤热的煤 或焦炭 层 使水蒸气与碳发生化学反应生成一氧化碳和氢气 C H2O CO H2 原料气在合成氨之前为何进行净化 如何净化 师生互动 提示 原料气的净化 1 对原料气净化的原因 在制取原料气的过程中 常混有一些杂质 其中的某些杂质会使合成氨所用的催化剂 中毒 所以必须除去 这一过程称为原料气的净化 2 吸收H2S 用稀氨水吸收H2S杂质 NH3 H2O H2S NH4HS H2O 3 除去CO 制造原料气过程中产生的CO必须变成CO2除去 工业生产中在催化剂 如Fe2O3和CuO等 作用下 一氧化碳可以与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气 CO H2O CO2 H2 生成的二氧化碳常采用K2CO3溶液吸收 K2CO3 CO2 H2O 2KHCO3 4 精制原料气 用醋酸 铜和氨配制成的溶液来吸收CO CO2 O2 H2S等少量有害气体 进行精制处理 氨的合成与分离是如何进行的 画出整个生产流程图 师生互动 提示 1 氨的合成与分离 净化后的原料气经过压缩机压缩至高压 进入氨合成塔 氮气与氢气在高温 高压和催化剂作用下合成氨 从合成塔出来的混合气体 通常约含15 体积分数 的氨 为了使氨从没有反应的氮气和氢气里分离出来 要把混合气体通过冷凝器使氨液化 然后在气体分离器里把液态氨分离出来导入液氨贮罐 由气体分离器出来的气体 经过循环压缩机 再送到合成塔中进行反应 2 合成氨工业流程 氨在国民经济中占有重要的地位 现在约有80 的氨用来制造化肥 其余的用作生产其他化工产品的原料 例如 农业上使用的氮肥如尿素 硝酸铵 磷酸铵 硫酸铵 氯化铵 氨水以及各种含氮混合肥料和复合肥料 都是以氨为原料制成的 氨氧化法制硝酸是工业上制硝酸的主要方法 1 对于合成氨的反应来说 使用催化剂和施以高压 下列叙述中正确的是 A 都能提高反应速率 都对化学平衡状态无影响B 都对化学平衡状态有影响 都不影响达到平衡状态所用的时间C 都能缩短达到平衡状态所用时间 只有压强对化学平衡状态有影响D 催化剂能缩短反应达到平衡状态所用时间 而压强无此作用 2 综合考虑各种因素 在实际生产中 合成氨一般选择以 为催化剂 压强在 之间 温度在 左右 3 要实现合成氨的工业化生产 首先要解决氢气和氮气的来源问题 氢气的制取可有以下几条途径 电解水制取氢气 由煤或焦炭来制取氢气 由天然气或重油制取氢气 你认为哪种方法是最佳选择 填序号 其反应的化学方程式为 4 硝酸厂的尾气中含有NO和NO2等污染物 为了防止污染大气可以用烧碱溶液吸收从吸收塔中放出的尾气 发生的反应如下 2NaOH NO NO2 2NaNO2 H2O2NaOH 2NO2 NaNO2 NaNO3 H2O但在实际生产中常用纯碱代替烧碱 也能发生类似的反应 且放出CO2 试写出用纯碱溶液吸收NO和NO2的两个反应的化学方程式 解析 1 对合成氨的反应 催化剂只能提高反应速率 不能使化学平衡发生移动 高压能提高化学反应速率 也能使化学平衡向生成氨的方向移动 3 电解水制氢气 电能消耗大 成本高 煤作原料 能源消耗大 污染大 天然气作为洁净燃料 便于管道运输 有投资省 能耗低的优点 点评 本题主要考查氨的工业合成和硝酸的工业生产 主要掌握氨的生产原理和主要流程 以及反应条件的选择 2 按以上最合理的反应途径 理论上用1mol丙烷最多可制得氨气 A 4molB 6 7molC 10molD 2 7mol 3 该合理的反应途径最显著的优点是 A 简单易行B 制得的H2纯度高C 制得的H2产量高D 可同时获得大量热量 答案 1 C 2 B 3 C 德国犹太科学家哈伯 1868 1934 一生从事化学研究 曾在1906年发明了氨的合成法 1908年又发明了合成氨的催化剂 为工业化生产奠定了基础 1918年获诺贝尔化学奖 是哈伯发明了催化剂得以利用空气中无穷的氮 他用铁屑固定氮气 使成吨的氨和各种化肥从德国工厂源源涌出 是哈伯掌握了催化剂的功能 化学反应中的催化剂并非袖手旁观 它参与其中 或是削去阻隔反应的山峰从而降低发生反应的临界点 或是暗掘通道 或是伸出分子的手臂拉近最难反应的对象 使它们之间成键或断键轻而易举 如愿以偿 那再生后的催化剂重振旗鼓 仍作红娘 思考 同学们 如何利用空气中的氮气来合成氮肥呢 提示 氮气与氢气在高温高压和催化剂条件下生成氨气 由氨气来合成氮肥 1 将空气中氮气转化为氮的化合物的过程称为固氮 下图中能实现人工固氮的是 答案 D C 达到化学平衡时 N2 H2和NH3的物质的量浓度不再发生变化D 达到化学平衡时 正反应和逆反应的速率都为零 解析 在可逆反应中的任何一种反应物的转化率都小于100 投料比是n N2 n H2 1 3 化学反应中n N2 n H2 1 3 c N2 c H2 1 3 c NH3 的大小或相对大小都无理由确定 化学平衡是动态平衡 化学平衡状态下正反应速率和逆反应速率相等但不为零 答案 C 解析 该可逆反应的特点为 正反应为放热反应 反应前后气体体积不改变 结合勒夏特列原理可选出答案 答案 C 4 工业上用接触法合成硫酸 采用下列措施 硫铁矿粉碎后 加入沸腾炉 沸腾炉空气进入口在下部 硫铁矿进入口在上部 进入接触室的炉气先要进行净化和干燥处理 在接触室里 催化剂分上 下两层 在接触室里使用热交换器 吸收塔里 三氧化硫从下部通入 浓硫酸从上部淋喷 其中 为了提高固体与气体接触面的措施是 A B C D 解析 本题强调增大固体与气体的接触面 而 是为了增大液体与气体的接触面 只有粉碎硫铁矿 进料时下进气体上进矿石粉和使用多层催化剂措施是为了增大固体与气体的接触面 答案 C 5 哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖 现将氢气和氮气充入某密闭容器中 在一定条件下反应的有关数据为 1 氢气和氮气反应生成氨气 在2s内 的反应速率v H2 若此时已达平衡 则可求得平衡常数为 2 下图表示合成NH3反应在时间t0 t6中反应速率与反应过程曲线图 则在下列达到化学平衡的时间段中 化学平衡常数最大的一段时间是 t0 t1 t2 t3 t3 t4 t5 t6 若t1时改变的条件是升高温度 则说明合成NH3反应的焓变 H 0 填 大于 或 小于 答案 1 1 5mol L 1 s 10 25 2 小于 6 下图是工业生产中合成氨流程示意图 仔细观察图示中的物质变化关系及工艺特点 回答下列问题 1 合成氨的整个工业生产包括造气 净化 合成氨三大部分 其中上述工艺流程图示中已经将造气与净化装置用竖线分开 请你在图示中再将净化与合成氨装置用竖线分开 2 合成氨工业中的氢气来源于天然气 煤等物质 根据图示物质的变化关系写出两个生成氢气的化学方程式 3 净化装置中可以消除造气过程中产生的杂质 目的是 4 目前国家倡导节能减排 观察上述工艺流程图示 写出合成氨工业