高二化学苏教版选修2课件：2-1氨的合成

1、自主探究自主探究精要解读精要解读第一单元氨的合成第一单元氨的合成1N2与与H2生成生成NH3的反应特点？的反应特点？ 提示提示可逆反应，即可逆反应，即N2、H2与与NH3是一个共存体系。是一个共存体系。自主探究自主探究精要解读精要解读2影响化学反应速率和化学平衡移动的因素？影响化学反应速率和化学平衡移动的因素？ 提示提示(1)影响化学反应速率的因素影响化学反应速率的因素 浓度温度压强催化剂浓度温度压强催化剂 (2)影响化学平衡移动的因素影响化学平衡移动的因素 浓度压强温度浓度压强温度3从合成氨的经济效益考虑如何选择恰当的条件？从合成氨的经济效益考虑如何选择恰当的条件？ 提示提示要提高合成氨经济

2、效益，一要考虑反应快慢要提高合成氨经济效益，一要考虑反应快慢 二要考虑二要考虑N2与与H2的转化率，所以合适的条件为温度为的转化率，所以合适的条件为温度为500700 ，选择中压、适宜的催化剂，选择中压、适宜的催化剂，N2与与H2的投料比为的投料比为1 2.8时，生成的时，生成的NH3及时分离移出。及时分离移出。自主探究自主探究精要解读精要解读1了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义，知了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义，知道催化剂的研制对促进化工发展的重大意义，认识实际化工道催化剂的研制对促进化工发展的重大意义，认识实际化工生产技术问题的复杂性，增强技术意识。生产技术

3、问题的复杂性，增强技术意识。2从合成氨工业流程与技术出发了解化学在工农业生产中的具从合成氨工业流程与技术出发了解化学在工农业生产中的具体应用，认识化学学科发展对化工生产技术进步的促进作体应用，认识化学学科发展对化工生产技术进步的促进作用，认识化学工业在国民经济发展中的地位。用，认识化学工业在国民经济发展中的地位。 自主探究自主探究精要解读精要解读哈伯哈伯 高压高压 适宜温度适宜温度 催化剂催化剂 减小减小 放热放热 自主探究自主探究精要解读精要解读2合成氨反应条件的选择合成氨反应条件的选择 在合成氨生产中要综合考虑在合成氨生产中要综合考虑 、 、 、 与与 来确定来确定反应的条件。反应的条件。

4、 目前，工业上用目前，工业上用 作催化剂，在作催化剂，在 MPa、450 左右用氮、氢混合气体进行氨的合成，得到的平衡混合物左右用氮、氢混合气体进行氨的合成，得到的平衡混合物中，氨的含量约为中，氨的含量约为20%。反应速率反应速率催化剂工作温度催化剂工作温度反应物转化率反应物转化率反应装置材料反应装置材料生产技术水平生产技术水平铁触媒铁触媒2050自主探究自主探究精要解读精要解读1.合成氨的工业流程合成氨的工业流程 (1)制备原料气：合成氨的生产首先需要合成制备原料气：合成氨的生产首先需要合成 。原料气由。原料气由体积比约为体积比约为1 3的的 和和 组成。组成。 (2)反应前原料气的处理：把

5、原料气反应前原料气的处理：把原料气 、 后送到合后送到合成塔。成塔。 (3)合成反应：在一定条件下发生合成反应，就可以得到含有合成反应：在一定条件下发生合成反应，就可以得到含有一定质量分数一定质量分数 的平衡混合气。的平衡混合气。 (4)反应后平衡混合气体的处理：从合成塔里排出的平衡混合反应后平衡混合气体的处理：从合成塔里排出的平衡混合气体中分离出氨气后，把未反应的气体中分离出氨气后，把未反应的 送回合成塔送回合成塔循环利用。循环利用。原料气原料气氮气氮气氢气氢气加压加压预热预热氨气氨气氮、氢原料气氮、氢原料气自主探究自主探究精要解读精要解读2合成塔的构造特点合成塔的构造特点 原料气从原料气从

6、 进入，向上流经进入，向上流经 的环隙，至顶端后再进的环隙，至顶端后再进入入 。折流向下的气体穿过。折流向下的气体穿过 的管的管间，被加热到间，被加热到400 左右进入第一层催化剂，经反应后温度左右进入第一层催化剂，经反应后温度上升到上升到 左右。在第一、二层间，反应气与冷的左右。在第一、二层间，反应气与冷的 混合后进入第二层催化剂，以此类推，最后的气体从混合后进入第二层催化剂，以此类推，最后的气体从 排出，折流向上穿过中心管，再排出，折流向上穿过中心管，再经经 的管内换热后自的管内换热后自塔顶塔顶排出塔外。排出塔外。外筒外筒热交换器热交换器热交换器热交换器500 原料气原料气第四层催化剂底部

7、第四层催化剂底部热交换器热交换器塔底塔底自主探究自主探究精要解读精要解读 为什么氮气氢气的混合气体送入合成塔前要压缩？为什么氮气氢气的混合气体送入合成塔前要压缩？提示提示提高反应物的浓度，能加快化学反应速率，有利于提高反应物的浓度，能加快化学反应速率，有利于氨的合成。氨的合成。 合成氨是一个可逆反应，从原料的利用率角度考虑，未合成氨是一个可逆反应，从原料的利用率角度考虑，未反应反应N2和和H2如何处理？如何处理？提示提示循环使用循环使用【慎思慎思1】【慎思慎思2】自主探究自主探究精要解读精要解读 什么是固氮？常见的固氮方式有哪些？什么是固氮？常见的固氮方式有哪些？ 提示提示将空气中的游离态的将

8、空气中的游离态的N2转化为化合态的过程称转化为化合态的过程称“固固氮氮”，固氮方式有：生物固氮、自然固氮、化学固氮、人，固氮方式有：生物固氮、自然固氮、化学固氮、人工模拟生物固氮。工模拟生物固氮。 为什么为什么N2与与H2的投料之比为的投料之比为1 2.8而不是而不是1 3? 提示提示尽管尽管N2与与H2按按1 3反应但是为了提高价格较高的反应但是为了提高价格较高的H2的转化率，可适当增加的转化率，可适当增加N2的投量，故选择的投量，故选择1 2.8。 原料原料N2和和H2在进合成塔前为什么净化？在进合成塔前为什么净化？ 提示提示防止催化剂中毒。防止催化剂中毒。 【慎思慎思3】【慎思慎思4】【

9、慎思慎思5】自主探究自主探究精要解读精要解读自主探究自主探究精要解读精要解读常温下，合成氨反应能自发进行，所以合成氨的反应特点：常温下，合成氨反应能自发进行，所以合成氨的反应特点：所有的反应物和生成物都是气态，且该反应为可逆反应；气所有的反应物和生成物都是气态，且该反应为可逆反应；气体的物质的量减少的熵减反应；该反应的正反应是放热反体的物质的量减少的熵减反应；该反应的正反应是放热反应。应。自主探究自主探究精要解读精要解读 2合成氨反应原理的实验研究合成氨反应原理的实验研究 实验方法实验方法 在一干燥的硬质试管中放入适量铁丝绒，按照右图连接好实在一干燥的硬质试管中放入适量铁丝绒，按照右图连接好实

10、验装置。加热试管中的铁丝绒至红热后，用注射器抽取验装置。加热试管中的铁丝绒至红热后，用注射器抽取20 mL干燥氮气和干燥氮气和60 mL干燥氢气，将混合气体通入试管，并干燥氢气，将混合气体通入试管，并将湿润的将湿润的pH试纸置于导管口处，观察试纸的变化。试纸置于导管口处，观察试纸的变化。合成氨的实验装置合成氨的实验装置自主探究自主探究精要解读精要解读实验现象实验现象导管口处的湿润的导管口处的湿润的pH试纸变为蓝色。试纸变为蓝色。实验结论实验结论在铁丝绒和加热的条件下，氮气与氢气反应生成了氨。在铁丝绒和加热的条件下，氮气与氢气反应生成了氨。自主探究自主探究精要解读精要解读3合成氨最佳条件合成氨最

11、佳条件反应条件反应条件对化学反对化学反应速率的应速率的影响影响对平衡混合物对平衡混合物中氨含量中氨含量(体积体积分数分数)的影响的影响合成氨条件的选择合成氨条件的选择增大压强增大压强有利于增有利于增大化学反大化学反应速率应速率有利于提高平有利于提高平衡混合物中氨衡混合物中氨的含量的含量增大压强，有利于氨增大压强，有利于氨的合成，但需要的动的合成，但需要的动力大，对材料、设备力大，对材料、设备等要求也高，因此，等要求也高，因此，工业上一般采用工业上一般采用2050 MPa的压强的压强自主探究自主探究精要解读精要解读续表续表升高升高温度温度有利于有利于增大化增大化学反应学反应速率速率不利于提不利于

12、提高平衡混高平衡混合物中氨合物中氨的含量的含量升高温度，化学反应速升高温度，化学反应速率增大，但不利于提高率增大，但不利于提高平衡混合物中氨的含量平衡混合物中氨的含量，因此，合成氨时温度，因此，合成氨时温度要适宜，工业上一般采要适宜，工业上一般采用用400500 左右的温左右的温度，在这个温度时，铁度，在这个温度时，铁触媒的活性也最大触媒的活性也最大使用使用催化剂催化剂有利于有利于增大化增大化学反应学反应速率速率没有影响没有影响工业上一般采用铁触媒工业上一般采用铁触媒，使反应能在较低温度，使反应能在较低温度下较快地进行下较快地进行自主探究自主探究精要解读精要解读自主探究自主探究精要解读精要解读

13、影响化学平衡和反应速率的因素在合成氨中的综合应用。影响化学平衡和反应速率的因素在合成氨中的综合应用。自主探究自主探究精要解读精要解读 在合成氨工业中，采用下列哪些措施可以提高原料气的在合成氨工业中，采用下列哪些措施可以提高原料气的转化率转化率 ()。 使用催化剂采用使用催化剂采用500 左右的高温采用左右的高温采用11073107 Pa的压强不断将氨分离出来的压强不断将氨分离出来A B C D解析解析根据合成氨反应的特点，要提高原料的利用率，应根据合成氨反应的特点，要提高原料的利用率，应尽量使化学平衡向生成尽量使化学平衡向生成NH3的方向移动，应为高压、降低温的方向移动，应为高压、降低温度并减

14、少度并减少NH3的浓度，故合理。的浓度，故合理。答案答案C【体验体验1】自主探究自主探究精要解读精要解读自主探究自主探究精要解读精要解读2原料气的净化原料气的净化 (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些杂质，其中的某些杂质会使合成氨所用的催化剂“中中毒毒”，所以必须除去，这一过程称为原料气的净化。，所以必须除去，这一过程称为原料气的净化。 (2)吸收吸收H2S：用稀氨水吸收：用稀氨水吸收H2S杂质：杂质：NH3H2OH2S=NH4HSH2O自主探究自主探究精要解读精要解读自主探究自

15、主探究精要解读精要解读 3氨的合成与分离氨的合成与分离 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，通常约含来的混合气体，通常约含20%(体积分数体积分数)的氨。为了使氨从的氨。为了使氨从没有起反应的氮气和氢气里分离出来，要把混合气体通过冷没有起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

16、的气体，经过循环压缩机，再液氨贮罐。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。送到合成塔中进行反应。自主探究自主探究精要解读精要解读 氨在国民经济中占有重要的地位。现在约有氨在国民经济中占有重要的地位。现在约有80%的氨用的氨用来制造化肥，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、硫酸铵、氯化如，农业上使用的氮肥如尿素、硝酸铵、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原料制成的

17、；氨氧化法制硝酸是工业上制硝酸的主要方法。法。(1)对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，下列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叙述中正确的是()。【例例2】自主探究自主探究精要解读精要解读A都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响都能提高反应速率，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，而压强无此作用催化剂能

18、缩短反应达到平衡状态所用时间，而压强无此作用自主探究自主探究精要解读精要解读(2)综合考虑各种因素，在实际生产中，合成氨一般选择以综合考虑各种因素，在实际生产中，合成氨一般选择以_为主的催化剂，压强在为主的催化剂，压强在_之间，温度之间，温度_。(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，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？哪种方法是最佳选择？

19、_(填序号填序号)，其反应的化学方程式，其反应的化学方程式为为_。自主探究自主探究精要解读精要解读(4)下面是合成氨的简要流程示意图：下面是合成氨的简要流程示意图：沿沿X路线回去的物质是路线回去的物质是()。AN2和和H2 B催化剂催化剂CNH3 DH2自主探究自主探究精要解读精要解读(5)硝酸厂的尾气中含有硝酸厂的尾气中含有NO和和NO2等污染物，为了防止污染大气等污染物，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：下：2NaOHNONO2=2NaNO2H2O2NaOH2NO2=NaNO2NaNO3H2O但在实际

20、生产中常用纯碱代替烧碱，也能发生类似的反应，且但在实际生产中常用纯碱代替烧碱，也能发生类似的反应，且放出放出CO2，试写出用纯碱溶液吸收，试写出用纯碱溶液吸收NO和和NO2的两个反应的化学的两个反应的化学方程式：方程式：_；_。自主探究自主探究精要解读精要解读解析解析(1)对合成氨的反应，催化剂只能提高反应速率，不能使对合成氨的反应，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。衡向生成氨的方向移动。(3)电解水制氢气，电能消耗大，成本电解水制氢气，电能消耗大，成本高；煤作原料，能

21、源消耗大，污染大。天然气作为洁净燃料，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。便于管道运输，有投资省、能耗低的优点。(4)合成氨的反应是合成氨的反应是一可逆反应，所以从合成塔出口出来的含氨混合气中有相当一一可逆反应，所以从合成塔出口出来的含氨混合气中有相当一部分是未反应的氮气和氢气的混合气。采用循环法，先通过冷部分是未反应的氮气和氢气的混合气。采用循环法，先通过冷凝把氨从合成塔出来的混合气中分离出来，余下未反应的氮气凝把氨从合成塔出来的混合气中分离出来，余下未反应的氮气和氢气的混合气体用循环压缩机重新送入合成塔进行反应。和氢气的混合气体用循环

22、压缩机重新送入合成塔进行反应。自主探究自主探究精要解读精要解读自主探究自主探究精要解读精要解读化工生产中采用循环操作的原因：很多化学反应并不能将反化工生产中采用循环操作的原因：很多化学反应并不能将反应进行到底；循环操作能充分利用原料，降低成本；有利应进行到底；循环操作能充分利用原料，降低成本；有利于实现全封闭、连续化生产，有利于减少工序、控制废弃物的于实现全封闭、连续化生产，有利于减少工序、控制废弃物的排放。排放。自主探究自主探究精要解读精要解读 为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中具有开发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价值的是 ()。A研制高温下活性较大的催化剂研制

23、高温下活性较大的催化剂B寻求寻求NH3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解析合成氨的反应特点是放热反应，降低温度有利于提高合成氨的反应特点是放热反应，降低温度有利于提高合成氨的生产效率。合成氨的生产效率。答案答案C【体验体验2】自主探究自主探究精要解读精要解读自自1913年世界上第一座合成氨厂投产以来，合成氨工业不断发年世界上第一座合成氨厂投产以来，合成氨工业不断发展。目前，合成氨工业的主要研究领域有：展。目前，合成氨工业的主要研究领域有：1原料及原料气的净化原料及原料气的净化由于

24、氮气来自空气，取之不尽用之不竭。制氢气的工艺和技术由于氮气来自空气，取之不尽用之不竭。制氢气的工艺和技术成为研究的主要课题。早期的合成氨工业，主要以焦炭与水为成为研究的主要课题。早期的合成氨工业，主要以焦炭与水为原料生产水煤气以得到氢气。现在已经可以使用各种不同的固原料生产水煤气以得到氢气。现在已经可以使用各种不同的固态态(煤和焦炭等煤和焦炭等)、液态、液态(石油中提炼的石脑油和重油等石油中提炼的石脑油和重油等)和气态和气态(天天然气、焦炉气等然气、焦炉气等)可燃物作为制氢气的原料，由于原料不同，原可燃物作为制氢气的原料，由于原料不同，原料气的净化工艺和技术也不断改进。料气的净化工艺和技术也不

25、断改进。自主探究自主探究精要解读精要解读表世界合成氨原料的用量变化表世界合成氨原料的用量变化原料原料各种氨原料的份额各种氨原料的份额/%197119751980198519902000天然气天然气606271.571.069.568.0石脑油石脑油201915.013.08.56.5燃料油燃料油4.557.08.510.012.0煤煤995.56.57.510.5其他其他6.55.01.01.04.53.0自主探究自主探究精要解读精要解读2. 催化剂的改进催化剂的改进 氮气跟氢气合成氨的反应需要催化剂。催化反应的工艺条件氮气跟氢气合成氨的反应需要催化剂。催化反应的工艺条件常常决定于催化剂的性能

26、，由于催化剂的突破而彻底改变工常常决定于催化剂的性能，由于催化剂的突破而彻底改变工艺过程及条件的事例屡见不鲜。合成氨时，使用磁铁矿催化艺过程及条件的事例屡见不鲜。合成氨时，使用磁铁矿催化剂已经剂已经80多年，期间各国一直在进行研究和改进。例如，有多年，期间各国一直在进行研究和改进。例如，有采用钌为基础活性物质的新型催化剂，整个工艺流程也以此采用钌为基础活性物质的新型催化剂，整个工艺流程也以此为核心设计。为核心设计。自主探究自主探究精要解读精要解读3环境保护环境保护 随着环境保护意识的增强以及相关法律、法规的严格实施，随着环境保护意识的增强以及相关法律、法规的严格实施，合成氨生产中产生的固体、液

27、体和气体废弃物的处理越来越合成氨生产中产生的固体、液体和气体废弃物的处理越来越成为技术改造的重要问题。成为技术改造的重要问题。 废渣主要来自造气阶段，特别是以煤为原料而产生的煤废渣主要来自造气阶段，特别是以煤为原料而产生的煤渣，以重油为原料产生的炭黑等，现在大都将它们用作建材渣，以重油为原料产生的炭黑等，现在大都将它们用作建材和肥料的原料。和肥料的原料。 废气主要是废气主要是H2S和和CO2等气体。对等气体。对H2S的处理，先后采用了的处理，先后采用了直接氧化法直接氧化法(选择性催化氧化选择性催化氧化)、循环法、循环法(使用溶剂将其吸收浓使用溶剂将其吸收浓缩缩)等回收技术。等回收技术。CO2虽

28、然是无毒无害的物质，但随着人们对虽然是无毒无害的物质，但随着人们对其可能产生温室效应的关注，减少其可能产生温室效应的关注，减少CO2的排放逐渐受到重的排放逐渐受到重视，所以在不断研究和改进将其作为尿素和碳铵生产原料的视，所以在不断研究和改进将其作为尿素和碳铵生产原料的途径。途径。自主探究自主探究精要解读精要解读废液主要是含氰化物和含氨的污水。目前，处理含氰化物污废液主要是含氰化物和含氨的污水。目前，处理含氰化物污水主要有生化、加压水解、氧化分解、化学沉淀、反吹回炉等水主要有生化、加压水解、氧化分解、化学沉淀、反吹回炉等方法；处理含氨废水多以蒸馏的方法回收氨达到综合利用的目方法；处理含氨废水多以

29、蒸馏的方法回收氨达到综合利用的目的，对浓度过低的含氨废水，可用离子交换法治理。的，对浓度过低的含氨废水，可用离子交换法治理。自主探究自主探究精要解读精要解读自主探究自主探究精要解读精要解读依据上述流程，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 0.9n mol、产生、产生H2_mol(用含用含n的代数式表示的代数式表示)。(3)K2CO3(aq)和和CO2的反应在加压下进行，加压的理论依据是的反应在加压下进行，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(4)由由KHCO3分解得到的分解得到的CO2可以用于可以用于_(写出写出CO2的一种的一种重要用途重要用途)。自主探究自主探究精要解读精要解读(5)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，二是循环，二是K2CO3(aq)循循环。请在上述流程图中再标出第三处循环环。请在上述流程图中再标出第三处循环(循环方向、循环物循环方向、循环物质质)。自主探究自主探究精要解读精要解读(4)CO2的用途较多，也是中学生应当熟悉的。的用途较多，也是中学生应当熟悉的。(5)合成氨反应中，合成氨反应中，N2和和H2的转