2020学年高中化学 第一单元 走进化学工业 课题2 人工固氮技术——合成氨教学案 新人教版选修2

课题2 人工固氮技术——合成氨合成氨的反应原理1．氮的固定使空气中游离态的氮转变为化合态的氮的方法叫氮的固定。

2．合成氨原理(1)实验装置：(2)现象：湿润的pH 试纸变为蓝色。

(3)化学方程式：N 2＋3H 2高温、高压催化剂2NH 3(放热反应)。

3．工业合成氨的条件⎩⎪⎨⎪⎧ 温度：400～500 ℃压强：10～30MPa催化剂：以铁为主[跟随名师·解疑难](1)工业合成氨的反应是一个气体体积减小的放热反应。

(2)合成氨条件的选择：①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10～30 MPa 之间。

②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。

③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。

[剖析典例·探技法][例1] 有关合成氨工业的叙述，不能用勒夏特列原理解释的是( )A ．使用铁触媒有利于合成氨的反应B ．高压比常压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．使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应[名师解析] 使用铁触媒，可以加快化学反应速率，缩短达到平衡的时间，但平衡不会发生移动，不能用勒夏特列原理解释；合成氨的反应是放热反应，低温虽可提高平衡混合物中NH3的含量，但反应速率太慢，而温度太高，虽能加快反应速率，却使平衡混合物中NH3的含量降低，因此工业生产中一般采用500 ℃左右的温度，此时催化剂的活性最大，故不能用勒夏特列原理解释。

[答案] AC[名师点睛]合成氨条件的理论分析与实际化工条件比较理论角度实际化工条件速率角度提高反应速率的条件：①升高温度；②增大压强；③增大反应物浓度；④使用催化剂温度：400～500℃压强：10～30 Mpa催化剂：以铁为主平衡角度①温度越高，NH3的产率越低；②压强越大，NH3的产率越高；③不断分离出NH3，有利于提高反应物的转化率合成氨的基本生产过程合成氨的生产主要包括三个步骤：造气、净化、合成。

1．制备合成氨的原料气CH4＋H2O=====催化剂△CO＋3H2、CH4＋2H2O=====催化剂△CO2＋4H2。

2．原料气的净化(1)目的是防止催化剂中毒。

(2)原料气的净化：①用稀氨水吸收H 2S 的化学方程式：H 2S ＋NH 3·H 2O===NH 4HS ＋H 2O 。

②除去CO 的有关化学方程式：CO ＋H 2O =====催化剂△CO 2＋H 2，CO 2＋K 2CO 3＋H 2O===2KHCO 3。

③精制原料气：用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收CO 、CO 2、O 2、H 2S 等少量有害气体。

3．氨的合成与分离(1)氨的合成：将净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入合成塔，在高温、高压和催化剂作用下合成氨。

(2)从合成塔出来的混合气体，通常约含15%(体积分数)的氨，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并导入液氨贮罐，气体再经过循环压缩机送到合成塔中进行反应。

[跟随名师·解疑难](1)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。

因此合成氨生产中常适当提高N 2的比例。

(2)为了充分利用原料，化工生产过程中经常采用循环操作过程，即将没有反应的物质从反应后的混合物中分离出来，并重新送回反应器中。

[剖析典例·探技法][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( )A ．N 2、H 2B ．催化剂C ．N 2D ．H 2[名师解析] 从合成塔中出来的混合气体经冷凝分离出液氨后剩下未反应的N 2、H 2，可以进行循环继续参与氨的合成。

[答案] A[名师点睛]为了提高合成氨生产的综合经济效益，有三点是不可忽视的：①使原料气中n (N 2)∶n (H 2)≈1∶3；②将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后输入合成塔再次利用；③及时将NH 3从平衡混合物中分离出来。

合成氨工业的发展[自读教材·夯基础]1．原料及原料气的净化现在已经使用各种不同的固态可燃物(煤和焦炭等)、液态可燃物(石油中提炼的石脑油和重油等)和气态可燃物(天然气、焦炉气等)作为制氨气的原料。

2．催化剂的改进催化反应过程的工艺条件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。

3．环境保护废渣：可作建材和肥料的原料。

废气：主要是H 2S 和CO 2等有害气体，CO 2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CO 2的排放逐渐受到重视。

废液：主要是含氰化物和含氨的污水。

[剖析典例·探技法][例3] 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NH 3的新来源C ．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[名师解析] 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。

研制低温下活性大的催化剂可改善工艺过程，降低成本，提高综合经济效益。

[答案] C合成氨的生产工艺(1)生产原理：N 2＋3H 2高温、高压催化剂2NH 3。

(2)生产条件⎩⎪⎨⎪⎧ 温度：400～500℃压强：10～30 MPa催化剂：铁触媒(3)工艺流程：(4)三废处理。

化工生产中反应条件选择的基本思路(1)目的：尽可能加快化学反应的速率和提高化学反应的程度。

(2)依据：外界条件对化学反应的速率和化学平衡的影响。

(3)原则：①既要注意外界条件对两者影响的一致性，又要注意对两者影响的矛盾性。

②既要注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制。

③既要注意理论生产，又要注意实际可能性。

1．合成氨的反应采用400～500 ℃温度的原因是( )A．温度太低反应速率太小B．该温度时催化剂活性较高C．该温度时反应速率最大D．该温度时N2的转化率最高解析：在400～500 ℃时催化剂的活性较高。

答案：B2．[双选题]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压强越高越有利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，A错误，B正确；压强越高越有利于氨的合成，但在工业生产中受到设备等多方面的制约，并不是压强越高经济效益越好，C 错误；将游离态的氮转化为化合态的氮属于氮的固定，D正确。

答案：BD3．合成氨工业有下列生产流程：①原料气的制备；②氨的合成；③原料气的净化和压缩；④氨的分离。

其先后顺序正确的是( )A．①②③④B．①③②④C ．①③④②D ．②③①④解析：原料气(N 2、H 2)经净化、压缩后再送入合成塔。

答案：B4．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是( )A ．从合成塔出来的混合气体中，其中NH 3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低B ．由于氨易液化，N 2、H 2在实际生产中循环使用，所以总体来说，氨的产率很高C ．合成氨工业的反应温度控制在500 ℃左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动D ．我国合成氨厂采用的压强是10～30 MPa ，因为该压强下铁触媒的活性最大解析：虽然合成氨反应中N 2、H 2的转化率较低，但是，由于氨易液化，及时将氨液化分离，N 2、H 2循环使用，总体来说氨的产率还是很高的，B 正确。

答案：B5．工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应：N 2(g)＋3H 2(g)高温、高压催化剂2NH 3(g)其部分工艺流程如下图所示：请回答下列问题：(1)第②步除需要催化剂这个条件外，还需要的条件是________________________ ______________________________________________________________________。

(2)第①步操作中的原料气的“净化”目的是__________________________________ ________________________________________________________________________， 第③步操作中的目的是____________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(3)工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。

这种分离物质的方法的原理类似于下列中的________(填编号)。

a ．过滤b ．蒸馏c ．分液d ．萃取你作出这个判断的理由是_________________________________________________ _______________________________________________________________________。

(4)可以用氯气来检验输送氨气的管道是否漏气，如果漏气则会有白烟生成。

该反应的化学方程式为________________________________。

解析：(1)工业合成氨需要条件为：高温、高压、催化剂。

(2)原料气中往往含有使催化剂中毒的物质，所以在进行原料气的反应前，需要除掉其中的杂质；工业合成氨反应后的混合气体中既有氨气，也有未反应的氢气、氮气，为了提高原料气的利用率，将未反应的原料气进行重新利用，这样可以提高经济效益。

(3)降低温度，氨变为液态，从而进行分离，所以跟工业上利用的蒸馏类似，都是通过改变温度，使物质的状态发生变化而分离。

(4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2，NH4Cl的固体小颗粒形成白烟。

答案：(1)高温、高压(2)防止催化剂中毒提高原料利用率(或提高经济效益等)(3)b 通过温度的改变而改变物质的状态，达到分离的目的(4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2[高考感悟]1．(全国卷Ⅰ)在容积可变的密闭容器中，2 mol N2和8 mol H2在一定条件下发生反应，达到平衡时，H2的转化率为25%，则平衡时氮气的体积分数接近于( ) A．5% B．10%C．15% D．20%解析：本题考查化学平衡的计算，意在考查考生的计算能力。