高中化學主題1空氣資源氨的合成課題2氨的工業(yè)合成學案魯科版選修2

PAGE課題2氨的工業(yè)合成1．認識合成氨的反應原理和特點，并能依據化學反應速率和化學平衡原理綜合考慮合成氨生產中的相關因素，選擇合成氨反應的最佳條件。(重點)2．知道獲得大量廉價的氫氣是實現(xiàn)合成氨生產的關鍵問題，知道合成氨工業(yè)原料氮氣和氫氣獲得的途徑和方法，能夠寫出相應的化學方程式。(重點)3．能根據合成氨反應的特點分析氮氣和氫氣不能完全轉化的原因，知道循環(huán)法使未轉化的氮氣和氫氣得到利用的原理和方法。(重難點)4．知道選擇適宜的反應條件、確定原料路線、解決未轉化完全的原料氣的利用是合成氨生產中的主要技術問題。探索合成氨的最佳條件1.合成氨反應的化學方程式：N2＋3H2eq\o(,\s\up8(催化劑),\s\do8(高溫、高壓))2NH3。2．合成氨反應的特點(1)可逆反應；(2)放熱反應；(3)氣體總體積縮小的反應。3．合成氨最佳條件的選擇(1)理論分析從化學反應速率的角度看，升溫、加壓以及使用催化劑都可以使合成氨的化學反應速率增大。從化學平衡的角度看，平衡混合氣中氨的含量隨著溫度的升高而降低，隨壓強的增大而提高。這說明溫度、壓強對這一反應的化學平衡有影響：降溫、增壓有利于氨的合成。(2)實際生產中的最佳條件合成氨一般選擇以鐵觸媒為催化劑，壓強在20～50_MPa之間，溫度在500_℃左右。1．合成氨反應為放熱反應，在低溫下有利于氨的合成，為什么實際上選用了500°C的高溫？【提示】目前，合成氨工業(yè)中普遍使用的主要是以鐵為主體的多組分催化劑，又稱鐵觸媒。鐵觸媒在500°C左右時的活性最大，這也是合成氨反應一般選擇在500°C左右進行的重要原因之一。如何獲得大量廉價的原料氣1.獲得氮氣的方法：分離空氣。2．獲得氫氣的方法方法反應原理電解水法2H2Oeq\o(=,\s\up8(通電))2H2↑＋O2↑煤或焦炭法C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(高溫))CO＋H2天然氣或重油法CH4＋H2Oeq\o(=,\s\up8(催化劑),\s\do8(高溫))CO＋3H2CO＋H2Oeq\o(=,\s\up8(催化劑),\s\do8(△))CO2＋H22．評價上述幾種制氫方法，你認為哪種方法是最佳選擇？【提示】電解水制氫氣，電能消耗大，成本高；天然氣與煤相比較，天然氣輸送方便、投資省、能耗低。所以用天然氣做合成氨的原料為最佳選擇。怎樣利用未轉化的氮氣和氫氣在實際生產中采用了循環(huán)法，先通過冷凝把氨從合成塔出來的混合氣中分離出來，余下未反應的氮氣和氫氣的混合氣用循環(huán)壓縮機重新送入合成塔進行反應，同時不斷地補充新鮮的原料氣，這樣氨的合成就形成了一個循環(huán)流程，使氮氣和氫氣得到充分利用。合成氨條件的選擇【問題導思】①合成氨工業(yè)生產的要求是什么？【提示】a．反應有較大的反應速率；b.最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。②影響化學平衡移動的外界因素有哪些？【提示】溫度、濃度、壓強。③合成氨實際生產中采用高溫、高壓、催化劑，其中有利于提高平衡混合物中NH3的百分含量的因素有哪些？【提示】高溫不利于平衡正向移動；催化劑對化學平衡無影響；高壓利于平衡正向移動，能提高平衡混合物中NH3的百分含量。1．合成氨生產的要求合成氨工業(yè)要求：①反應要有較大的反應速率；②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的正向移動時，化學反應速率不一定加快。1．下列有關合成氨工業(yè)的說法中，正確的是()A．從合成塔出來的混合氣體中，氨氣占15%，所以生產氨的工廠的效率都很低B．由于氨易液化，N2和H2在實際生產中循環(huán)使用，所以總體來說，氨的產率很高C．合成氨工業(yè)的反應溫度控制在500℃，目的是使化學平衡向正反應方向移動D．我國合成氨廠采用的壓強是20～50MPa，因為該壓強下鐵觸媒的活性最大【解析】雖然從合成塔出來的混合氣體中NH3只占15%，但由于原料氣N2和H2循環(huán)使用和不斷分離出液氨，所以生產NH3的效率還是很高的，因此A項不正確；控制反應溫度為500℃，一是為了使反應速率不至于很低，二是為了使催化劑活性最大，因此C項不正確；增大壓強有利于NH3的合成，但壓強越大，需要的動力越大，對材料的強度和設備的制造要求越高，我國的合成氨廠一般采用20～50MPa，但這并不是因為該壓強下鐵觸媒的活性最大，因此D項不正確。【答案】B合成氨的生產工藝及原料氣的制備【問題導思】①合成氨生產中需要的原料氣是什么？【提示】氮氣和氫氣。②如何獲得合成氨原料氣？【提示】獲得N2的方法：來自空氣，分離方法有深冷分離、變壓吸附分離、分離膜分離。獲得H2的方法：電解水、由煤或焦炭制H2、由天然氣或重油制H2。③如何能提高合成氨工業(yè)中原料氣的利用率？【提示】使平衡正向移動：加壓、不斷分離出NH3、將N2、H2循環(huán)利用。1．工藝流程2．氮氣的制備(1)物理方法：將空氣用深冷分離、變壓吸附分離或膜分離制得N2和O2。(2)工業(yè)上所采用的化學方法：用煤在空氣中燃燒，除去O2，吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后，得到N2。3．氫氣的制造合成氨原料來源的關鍵是如何獲得大量廉價的氫氣。原料制備路線的選擇，應綜合考慮資源、工藝、能耗、成本、環(huán)境等重要因素。由電解水制氫氣，電能消耗大，成本高，不適于制取大量的氫氣。下圖是工業(yè)合成氨及與之相關的工藝流程圖。仔細閱讀、分析上述框圖，并解答下列問題：(1)寫出①、②的操作方法：①________、②________。(2)寫出A、B兩個化學方程式：A____________________________________、B______________________________________________________________。(3)Ⅰ、Ⅱ的氣體成分相同嗎？________。(4)節(jié)能降耗勢在必行，也是工業(yè)發(fā)展的命脈。就上述工藝流程框圖，指出該框圖中的一條符合節(jié)能降耗宗旨的措施：______________________________?！窘馕觥?1)工業(yè)合成氨的氮氣原料來自于空氣，傳統(tǒng)的空氣分離方法是降溫、加壓而液化，然后升溫精餾分離，這種方法叫深冷分離，現(xiàn)在工業(yè)上也常采用膜分離技術。(2)合成氨的氫氣多來自石油、天然氣，目前也多采用煤的綜合利用，如煤的液化操作；工業(yè)合成氨采用的條件是高溫、高壓和催化劑。(3)進入熱交換器的是溫度較高的氨氣、氮氣和氫氣混合氣體，而從其中出來的仍然是這些氣體，不同的是溫度降低了。(4)工業(yè)生產往往采用循環(huán)利用原料、熱量，采用廢物利用來提高經濟效益，從而達到節(jié)能降耗的目的?！敬鸢浮?1)①液化(或答“深冷分離”、“膜分離”都可以)②冷凝(2)C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(高溫))CO＋H2或CH4＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(催化劑),\s\do8(高溫))CO＋3H2或CH4＋2H2O(g)eq\o(=,\s\up8(催化劑),\s\do8(高溫))CO2＋4H2(寫出其中任何一個即可)3H2＋N2eq\o(,\s\up8(高溫、高壓),\s\do8(催化劑))2NH3(3)相同(4)液化分離液氨后的氮氣和氫氣循環(huán)利用(或“熱的氨氣、氫氣和氮氣混合氣體與冷的氮氣、氫氣混合氣體進行熱交換”)2．下面是合成氨的簡要流程示意圖：【導學號：28920005】沿X路線回去的物質是()A．N2和H2 B．催化劑C．NH3 D．H2【答案】A1．熟記合成氨反應的1個化學方程式：N2＋3H2eq\o(,\s\up8(高溫、高壓),\s\do8(催化劑))2NH3。2．明確合成氨反應的3個特點：(1)可逆反應；(2)放熱反應；(3)氣體總體積減小的反應。3．知道合成氨2種原料氣的獲得方法：氮氣——分離空氣；氫氣——煤或焦炭法、天然氣或重油法。4．理解工業(yè)合成氨的3個條件。(1)500℃；(2)20～50MPa；(3)鐵觸媒作催化劑。1．在合成氨反應N2＋3H22NH3中，在下列情況下，不能使化學反應速率增大的是()A．加入氮氣 B．加入合適的催化劑C．減小壓強，擴大容器體積 D．適當升高溫度【解析】加快反應速率的外界條件有：升高溫度、增大壓強(有氣體參加的反應)、增大反應物濃度、使用催化劑等?！敬鸢浮緾2．下列有關合成氨工業(yè)的敘述，可用勒·夏特列原理來解釋的是()【導學號：28920006】A．使用鐵觸媒，將N2和H2混合有利于合成氨B．高壓比常壓條件更有利于合成氨C．450℃左右比室溫更有利于合成氨D．合成氨時采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率【解析】勒夏特列原理運用范圍，就是能使已平衡的可逆反應發(fā)生平衡移動的一些因素。選項A中催化劑不能使平衡移動；選項B中加壓可使合成氨反應正向移動；選項C中高溫不利于合成氨，只能加快反應速率，另外，450℃左右鐵觸媒活性最大；選項D中，循環(huán)使用，不涉及平衡移動問題。【答案】B3．1908年德國化學家哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大滿足了當時日益增長的人口對糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉化率而采取的措施是()A．①②③ B．②④⑤C．①③⑤ D．②③④【解析】合成氨反應為氣體分子總數(shù)減少的放熱反應，操作①是為了除去雜質，防止催化劑中毒；②增大壓強，有利于該反應向右進行，能夠提高轉化率；③催化劑只能加快反應速率，不影響化學平衡，故不能提高轉化率；④將產物NH3液化分離和⑤循環(huán)操作，均能使原料更充分地利用，提高原料的轉化率?！敬鸢浮緽4．對于可逆反應N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，下列說法正確的是()A．達到平衡時反應物和生成物濃度一定相等B．達到平衡后加入氨氣，重新達到平衡時，氨氣的濃度比原平衡時大C．達到平衡時，升高溫度加快了吸熱反應的速率，降低了放熱反應的速率，所以平衡向逆反應的方向移動D．加入催化劑可以縮短到達平衡的時間，這是因為加快了正反應的速率，而減慢了逆反應的速率【解析】本題往往錯選C、D，原因是對升高溫度可以使平衡向吸熱反應方向移動的原因認識不清；對使用催化劑可縮短到達