课题2　人工固氮技术──合成氨.docx

高二化学期中复习1合成氨考试要求 第二章内容在北京高考考试说明中涉及的主要知识要求：（1）了解化学能识别、改变和制备物质。（2）了解化学反应速率的概念和表示方法。（3）结合具体实例，理解外界条件对化学反应速率的影响。（4）了解化学反应的可逆性和化学平衡建立的过程。（5）理解化学平衡和化学平衡常数的含义，并进行简单计算。（6）结合具体实例，理解外界条件对化学平衡的影响。（7）认识化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。（8）通过催化剂实际应用的实例，了解催化剂在生活、生产和科学研究领域中的重大作用。 考查内容在北京高考考试说明中涉及的主要化学思想：物质变化是有条件的；化学与社会和谐发展；定性与定量；宏观与微观。 考查内容在北京高考考试说明中涉及的主要学习能力：（1）接受、吸收、整合化学信息的能力：能够通过对实际事物、图形、图表的观察，获取有关的信息，并进行初步加工、吸收、有序存储的能力。能够从试题提供的新信息中，准确地提取实质性内容，并经与已有知识块整合，重组为新知识块的能力。（2）分析和解决（解答）化学问题的能力：能够将实际问题分解，通过运用相关的知识，采用分析和综合、比较和论证、归纳和演绎等方法，解决简单化学问题的能力。能够将分析问题的过程和结论，用正确的化学术语及文字、模型、图形、图表等表达，并做出解释的能力。文献综述：合成氨工业的过去、现在、未来阅读文献综述，思考下列问题：1在合成氨发展的历史进程中，人们都曾遇到过哪些困难？他们是如何解决的？2合成氨的重要应用与意义。（一）与合成氨相关的诺贝尔奖Haber、Bosch和 Ertl 这 3 位伟大的科学家为合成氨工业的创立和发展做出了巨大的贡献，分别获得了诺贝尔化学奖。（二）合成氨的工业化发展历史1. 1754 年，Briestly 用硵砂（天然氯化铵矿石）和石灰共热，第一次制出了氨。2. 1787 年，Berthollet 提出氨是由氮和氢元素组成的。于是化学家们试图通过氮气和氢气合成氨，然而却首先遭遇了化学平衡的障碍和争议。因为当时化学平衡的规律尚未发现。因此，在平衡时氨的浓度究竟有多大，即反应的限度不清楚。在常压下只有在相当低的温度（即低于 300 ）时能生成百分之几的氨，然而，如果温度超过 600 ，氨分子会发生分解而使氨产量急剧下降。3. 1908年德国巴登苯胺纯碱公司（简称BASF）与 Haber签订协议，进行合成氨的工业开发。但是，单次通过反应器生成的少量氨并不能实现工业规模生产。Haber 又提出了一个伟大的设想：采用封闭流程和循环操作工艺技术。于是BASF公司的Bosch 接受了这一工作，他面临3 个主要难题：寻找一种高效且稳定的催化剂；设计出生产廉价氢气和氮气的方法；开发适用于高压合成氨的设备和材料。4. 到 1912 年初，在约一年半的时间内，Bosch 的助手 Alwin Mittasch进行了 6500 次试验，研究了 2500 种催化剂。并终于研制成功含有钾、铝氧化物作助催化剂的价廉易得的铁催化剂。而高温下氢气对钢材的腐蚀、碳钢制的氨合成反应器寿命仅有80h以及合成氨用的氮氢混合气的制造方法的问题，都被Bosch 所解决。5. 1913 年 9 月 9 日，第一个合成氨工业装置开工，氨的日产量为 35 t。人们称这种合成氨法为HaberBosch法，它标志着工业上实现高压催化反应的第一个里程碑。（三）现代合成氨合成氨与各种能源转化、煤化工、清洁能源、制氢技术及其联产/转产综合利用示意图现代合成氨工业技术已经实现与各种能源转化、新型煤化工、清洁能源、制氢技术等进行联产和综合利用。在联产过程中，最重要的一步就是制备合成气。合成气是由氢气、一氧化碳和二氧化碳组成的混合物，是化学工业中的一种较为重要的中间物种。通过在制气装置中的反应： 、 制得。利用合成气可以高选择性地合成各种化学品及系列燃料，比如合成甲醇、乙醇、乙酸等。合成气也可以作为纯氢和纯一氧化碳生产的原料。从净化脱碳装置中分离出的氢气：可用于燃料电池，清洁燃料等；补充氮气之后可以进行氨气的合成。氨气与二氧化碳可以合成尿素、碳酸氢铵等化肥。（四）合成氨的未来1. 发展合成氨技术的意义（1）2013年12月23日至24日，中央农村工作会议在北京举行。会议指出，中国人的饭碗任何时候都要牢牢端在自己手上，我们的饭碗应该主要装中国粮。如何确保每年递增400万吨粮食？据联合国粮农组织（FAO）的统计，化肥对粮食生产的贡献率占 40%-50%。如果不使用化肥，粮食将减产50%。合成氨工业的巨大成功，改变了世界粮食生产的历史，解决了人类因人口增长所需要的粮食。尤其是现有高产良种的基因决定了它必须多吸收养分才能达到高产，它离不开物质基础，即离不开增施化肥。实验表明单位面积产量，良种是地方种的2.142.73 倍，相应的养分吸收量也是地方种的2.02.8 倍。所以，满足粮食的刚性需求还是要依靠增施化肥。（2）合成氨的生产不仅促进了如高压、低温、原料气制造、气体净化、特殊金属冶炼以及催化剂研制等方面的发展，还对一些化学合成工业，如尿素、甲醇和高级醇、石油加氢精制、高压聚合等起了巨大的推动作用。（3）从国家安全与国家能源战略角度考虑，一旦需要即可将散布在我国各地的多数合成氨厂转为生产液体燃料的厂，形成集散生产与消费模式，稳固自我能源支撑体系，保证在非常情况下发动机燃料的自给，对于国家应付可能发生的能源封锁及突发事件，具有极其重要的战略作用。2. 合成氨技术的发展方向合成氨工业既是高能耗工业，又具有巨大节能潜力。当今世界最关注的能源问题又摆在合成氨工业的面前，所以依靠科技进步，使合成氨节能减排，是合成氨的发展方向。我国中小型合成氨装置在20 世纪 6070 年代操作压力是15 MPa（150个大气压），随后为了确保粮食供给，必须多产化肥，因而不惜能源代价（当时不是主要矛盾），把操作压力升高到 30.4 MPa 高压操作，发展方向刚好与国外相反。现在能源已成为主要矛盾，不把压力降下来，是不符合合成氨工业发展总趋势的。但是目前我国虽然拥有世界上最好的催化剂，却被用在了世界上最落后的工艺上。迄今仍没有与中国独创的 ZA-5 型 Fe1-xO 催化剂低压高活性相匹配的低压低能耗合成工艺。因此，将中小型化肥厂的合成压力从 30.4 MPa 降低到1015 MPa，具有重大的节能和经济意义。人类的生存需求决定了合成氨的故事永远不会结束。参考文献1刘化章. 合成氨催化剂研究的新进展J. 催化学报, 2001, 22(3): 304-316.2刘化章. 传统合成氨工业转型升级的几点思考J. 化工进展, 2015, 34(10): 3509-3520.3刘化章. 合成氨工业节能减排的分析J. 化工进展, 2011, 30(6): 1147-1157.4刘化章. 合成氨工业、过去、现在和未来J. 化工进展, 2013, 32(9): 1995-2005.5刘化章. A301型氨合成催化剂性能和应用研究J. 工业催化, 1992, 卷缺失(2): 19-26.思维导图请从多方面思考并完成思维导图。例如：原料、反应条件、意义应用合成氨合成氨适宜条件的选择外界条件使NH3生产的快使NH3生产的多实际生产条件速率分析平衡分析压强温度催化剂N2、H2浓度NH3浓度练习1氨的合成（2014朝阳期末）（2012海淀二模）（2015石景山一模）氨在国民经济中占有重要地位。（1）在合成氨生产中，将生成的氨及时从反应后的气体中分离出来。运用化学平衡的知识分析这样做的是否有利于氨的合成，说明理由：_。（2）工业合成氨反应中，在其他条件相同时，分别测定N2的平衡转化率在不同压强（1、2）下随温度变化的曲线，下图所示的图示中，正确的是_（填“A”或“B”），理由_；比较大小关系，1_2，理由_。（3）下表是当反应器中按n(N2):n(H2)=1:3投料后，在200、400、600下，反应达到平衡时，混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线。NH3的物质的量分数/%压强/MPa 曲线a对应的温度是_。 关于工业合成氨的反应，下列叙述正确的是_（填字母）。A. 及时分离出NH3可以提高H2的平衡转化率B. 加催化剂能加快反应速率且提高H2的平衡转化率C. 上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K(M) = K(Q) K(N) M点对应的H2转化率是_。练习2制取合成气（15年海淀期中）合成氨工业中制备的氢气中会含有一氧化碳。为了除去一氧化碳，可在催化剂存在的条件下将一氧化碳与水蒸气发生反应：CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) H=-41.0 kJmol-1该反应在工业上被称为“一氧化碳变换”。投料比体积分数/%温度/CO的某工业合成氨的原料气组成为：H2 40%、N2 20%、CO 30%、CO210%（均为体积分数）。现采用“一氧化碳变换”法，向上述原料气中加入水蒸气，将其中的CO除去。已知不同温度及反应物投料比（）下，变换后平衡混合气体中CO的体积分数如下表所示：=1=3=52002503003501.702.736.007.850.210.300.841.520.020.060.430.80从表中数据可以得到控制不同条件时CO的转化率的变化规律。能使CO的转化率升高，可改变的条件是_、_。温度是一氧化碳变换工艺中最重要的工艺条件，实际生产过程中将温度控制在300左右，其原因是_。（答案不唯一，合理均可）提高练习合成气与有机化工的联产（2015丰台期末）合成氨工业中得到的合成气可以制备乙二醇，相关工艺流程如下：催化还原合成气（CO+H2）氧化偶联草酸二甲酯乙二醇（1）合成气在不同催化剂作用下，可以合成不同的物质。下列物质仅用合成气为原料就 能得到且原子利用率为100%的是_（填字母）。A草酸（HOOCCOOH） B甲醇（CH3OH） C尿素CO(NH2)2（2）在恒容密闭容器中投入草酸二甲酯和H2发生如下反应：CH3OOCCOOCH3(g)+ 4H2 (g) HOCH2CH2OH(g) + 2CH3OH(g) H =34 kJ/mol写出该反应的平衡常数表达式：K=_。为提高乙二醇的产量和速率，宜采用的措施是_（填字母）。A升高温度 B增大压强 C增大氢气浓度 恒温恒容条件下，以下能说明该反应达到平衡状态的是_（填字母序号）。a4消耗(CH3OOCCOOCH3)=生成(H2) b混合气体的总压强不再改变c混合气体的总物质的量不再改变 d混合气体的密度不再改变某温度下，在一个容积为10 L的密闭容器中加入1 mol CH3OOCCOOCH3(g)和4 mol H2(g)，反应经20 min后达到平衡，测得该反应实际放出的热量为27.2 kJ，迅速导出热量，保持环境温度不变，该时间范围内反应的平均速率 (H2 )= _；平衡常数K的数值为_。（3）草酸二甲酯水解生