1、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了解工业合成氨与环境的关系，知道合成氨工业“三废”处理的基本方法。01 基础 自主落实02 要点 系统认知03 检测 课堂达标04 演练 效果检测一、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。0.04%78%2氮的固定(1)概念：氮的固定是指的方法。(2)分类氮的固定自然固氮高能固氮如：生物固氮如：仿生固氮将游离态氮转变为化合态氮通过闪电等产生氮的化合物豆科植物的根瘤菌固氮人工固氮工业合成氮二、合成氨的反应原理1反应原理用氢气和氮气合成
2、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、。N23H2高温、高压催化剂2NH3可逆放热气体分子总数减小采用以铁为主的催化剂400500的温度1030MPa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：；。1制备合成氨的原料气(1)氮气的制备物理方法：空气降温加压 蒸馏精馏化学方法：将空气中的氧气与作用生成，再除去。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)液态空气液氮液氧碳CO2CO2(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：，。
3、CH2O(g)=高温 COH2CH4H2O(g)=高温催化剂3H2COCH4H2O(g)=高温催化剂4H2CO22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：。最后，精制处理原料气：用、和配制成的溶液来吸收、等少量有害气体。除去原料气中杂质的过程防止催化剂中毒H2SNH3H2O=NH4HSH2OCOH2O(g)=催化剂CO2H2K2CO3CO2H2O=2KHCO3醋酸铜氨CO CO2O2H2S3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。
4、(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要点一 合成氨适宜条件的选择1理论分析(1)反应原理：化学方程式为 N2(g)3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g)H92.4 kJmol1。(2)反应特点：体积减小的反应；放热反应；N2键能很大，所以成为活化分子所需能量也很高。(3)从速率角度分析：温度越高反应速率越快；压强越大，浓度越大，反应速率越快；使用催化剂。(4)从平衡角度分析：温度越高 NH3的产率越低；压强越大，氨气的产率越高；
5、不断分离出 NH3，有利于提高反应物的转化率。2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。3合成氨条件的选择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、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。(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
6、 1030 MPa 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。例 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的时间，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的时间，而增大压强无此作用解析 对化学反应 N23H22NH3，
7、催化剂只能提高反应速率使反应达到平衡状态所用的时间缩短，不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成 NH3 的反应方向移动。答案 C方法规律 只有对反应前后气体体积相等的反应如 H2gI2g2HIg，使用催化剂和施以高压对化学反应速率和化学平衡的影响才一致。1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C500 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
8、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要点二 合成氨的基本生产过程1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：CH2O(g)=高温 COH2。2
9、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：NH3H2OH2S=NH4HSH2O。(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：COH2O(g)=高温 CO2H2，生成的二氧化碳常采用 K2CO3 溶液吸收：K2CO3CO2H2O=2KHCO3。(4)精制原料气：用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收 CO、
10、CO2、O2、H2S 等少量有害气体，进行精制处理。3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。4工艺流程：原料气的制取净化压缩液氨例 2 下图是合成氨的简易流程示意图，沿 X 路线回去的物质是()AN2、H2 B催化剂CN2DH2解析 从合成塔中出来的混合气体经冷凝分离出液氨后剩下 N2
11、、H2，可以继续参与氨的合成。答案 A方法规律合成氨的可逆反应，无论条件多么适宜，从合成塔中出来的气体总有一部分未反应的N2 和 H2(NH3 可通过冷凝分离除去)，为充分利用原料气，将此混合气用循环压缩机重新送入合成塔，同时不断地补充新鲜的原料气，这样氨的合成就形成了一个循环过程。2在工业合成氨的工艺流程中，制得的 N2、H2 混合气体送入氨合成塔中之前必须进行净化除杂，净化的主要目的是()A提高转化率 B便于进行热交换C防止催化剂中毒D防止损坏设备解析：净化与否对反应混合气体的热交换和合成氨的转化率基本上没有影响，A、B 不正确；某些杂质对设备有一定的腐蚀作用，但最主要的是杂质可使催化剂中
12、毒，影响合成氨的进行，所以净化的主要目的是防止催化剂中毒，C 项符合题意。答案：C1下列转变过程中，属于人工固氮的是()AN2雷雨天HNO3BNH3氧化法HNO3CNH4ClCaOH2NH3DN2H2加热、加压、催化剂NH3解析：游离态氮转变为化合态氮的过程叫做氮的固定，所以 B、C 项的转变过程不属于氮的固定，A、D 项的转变是氮的固定，但 A 项的转变是氮的一种自然作为，只有D 项符合题意。答案：D2合成氨所需的原料是()水 空气 焦炭 铁触媒A B C D全部解析：铁触媒是合成氨的催化剂，不属于原料。答案：C3合成氨工业中控制的反应条件应()A温度越高越好B压强越大越好C混合气体中氢气含
13、量越高越好D所选的催化剂活性越大越好解析：工业合成氨的热化学方程式：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.4 kJmol1，似乎压强越大就越有利于平衡向合成氨的方向移动，温度越高达到平衡的时间就越短，易错选 A 或 B。实际上在合成氨的工业生产中，压强不能太大，否则能耗太高，并且对设备的要求高。而根据化学平衡移动原理，此反应温度越低越有利于平衡向正方向移动，但温度太低，则催化剂的催化活性不能很好地发挥，反应速率太慢；为解决上述矛盾，一般选择使催化剂活性最大时的温度。答案：D4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()A研制高温下活性较大的催化剂B寻求 NH3 的新来源C研
14、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解析：合成氨的反应是放热反应，降低温度有利于提高合成氨的生产效率。答案：C5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)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。(2)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
15、或焦炭来制取氢气，由天然气制取氢气。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_。(3)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：2NaOHNONO2=2NaNO2H2O2NaOH2NO2=NaNO2NaNO3H2O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：(2)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。答案：(1)铁触媒 2050 MPa 500(2)CH4H2O(g)催化剂高温 CO3H2、COH2O(g)催化剂CO2H2(3)Na2CO3NONO2=2NaNO2CO2Na2CO32NO2=NaNO2NaNO3CO204 演练 效果检测
