人工固氮技术—合成氨
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课题2 人工固氮技术-------合成氨 教案教学目标1. 使学生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.介绍合成氨,体现化工生产的过程,体现实验室研究与实际生产之间转化过程。
教学过程:一、氮的固定1、定义:氮的固定是指将游离态的氮转化为化合态氮的方法。
2、方法:氨的固定主要方法有:(1)人工合成氨:化学固氨法。
其条件要求高、成本高、转化率低、效率低。
(2)根瘤菌,生物固氨。
常温常压下进行。
成本低、转化率高、效率高。
3、工业应用: 模拟生物的功能,把生物的功能原理用于化学工业生产,借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。
二、合成氨的反应原理【实验】分析P11的实验,结合有关物质的物理、化学性质总结试管口处湿润的PH 试纸的变化,推测有关反应。
【师生】1、加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氨气的混合气体,可以看到湿润的PH 试纸变蓝色2.用氢气和氨气合成氨的反应式是N 2+3H 2 催化剂高温高压 2NH 3 ,属放热反应。
3、工业上,采用以铁为主的催化剂,在400~500℃和10Mp a ~30 Mp a 的条件下合成氨。
【阅读】P12科学史话,结合已学化学平衡知识分析下面的问题(1)合成氨中,催化剂的主要作用是什么?答案:成千上万倍地加快化学反应速率,缩短达平衡的时间,提高日产量。
(2)合成氨的适宜条件是什么?答案:以铁为主的催化剂,在400~500℃和10Mp a ~30 Mp a 的条件(3)选择适宜生产条件的原则是什么?提示:有较高的反应速率和平衡转化率,能最大限度地提高利润。
(4)合成氨生产时,为什么不采用尽可能高的压强?通常采用10MPa~300MPa 的压强? 提示:会增大设备的动力要求,增大成本。
(5)合成氨的反应为放热反应,降低温度会使平衡向右移动,但为什么温度要保持在400~500℃左右?答案:合成氨的反应为放热反应,降低温度促使平衡向有移动,有利于 2N 、 2H 转化为 3NH ;但降温必然减缓了反应速率,影响单位时间产率。
课题2 人工固氮技术——合成氨1.合成氨的反应采用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最大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:工业合成氨反应的特点是:正反应是体积减小的放热反应,选用的适宜条件,400~500 ℃、铁催化剂、10 MPa~30 MPa;循环操作(N2与H2的体积比为1∶3),在500 ℃时催化剂的活性最大。
答案:B2.合成氨时既要使合成氨的产率增大,又要使反应速率加快,可采取的办法是() ①减压②加压③升温④降温⑤及时从平衡混合气中分离出NH3⑥补充N2或H2⑦加催加剂⑧减小N2或H2的量A.③④⑤⑦B.②④⑥C.②⑥D.②③⑥⑦解析:合成氨反应N2(g)+3H2(g)催化剂高温、高压2NH3(g) ΔH<0的特点为:正反应放热且气体体积减小。
要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快,应选C。
答案:C3.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,氨气占15%,所以生产氨的工厂的效率都很低B.由于氨易液化,N2和H2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 ℃,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:虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%,但由于原料气N2和H2循环使用和不断分离出液氨,所以生产NH3的效率还是很高的,因此A项不正确。
控制反应温度为500 ℃,一是为了使反应速率不至于很低,二是为了使催化剂活性最大,因此,C选项不正确。
增大压强有利于NH3的合成,但压强越大,需要的动力越大,对材料的强度和设备的制造要求越高,我国的合成氨厂一般采用1×107~3×107 Pa,但这并不是因为该压强下铁触媒的活性最大,因此,D选项不正确。
答案:B4.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。
人工固氮技术──合成氨学习指导1、生产原理N2、H2为反应气体,用铁做催化剂,原理方程式为:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g);ΔH<0实验室与工业生产的原理都是该反应。
所用原料为N2、H2及催化剂。
生产过程中注意的问题是原料及原料气的净化、催化剂的改进。
合成氨中的废渣主要有煤渣、炭黑,废气主要是H2S、CO2等,废液主要是有毒的含氰化物和含氨的污水,都需要回收利用。
2、生产过程简析工业合成氨包括造气、气体净化、氨的合成三个阶段。
(1)、原料气的制备(即造气)由原理知,生产原料应为N2、H2。
A、N2来源于空气N2来自于空气,利用液氧、液氮沸点的不同,可将液态空气加热,蒸发分离出O2、N2,这是利用物理方法得到。
也可用化学方法,用碳消耗空气中的O2生成CO2,然后除去CO2而得到N2。
B、H2来源于水和碳氢化合物C与H2O反应生成水煤气:C+H2O(g)CO+H2CO与H2O作用生成CO2:CO+H2OCO2+H2碳氢化合物与H2O反应生成H2:CH4+H2O3H2+COCH4+2H2O4H2+CO2该方法主要是利用石油、天然气、焦炉气等含有的大量碳氢化合物,使工业废气得以充分利用。
(2)、原料气的净化工业制硫酸的过程中,就存在SO2催化氧化前对气体净化的过程,防止杂质引起催化剂中毒。
合成氨的过程会出现同样的问题,故必须除去原料气体中的杂质气体,这就是原料气的净化。
A、常见的杂质气体常混有的杂质气体有H2S、CO、CO2、O2等。
B、常见的气体净化法H2S为酸性气体杂质,可用稀氨水吸收NH3·H2O+H2S=NH4HS+H2OCO可被氧化剂氧化为CO2CO+H2O=CO2+H2CO2可用碱溶液或K2CO3等盐溶液吸收除去CO2+K2CO3+H2O=2KHCO3(3)、氨的合成与分离合成氨生产的简易流程示意图为:该流程示意图涉及到NH3合成所需的原料气及高温高压、催化剂等条件,同时为利于NH3的合成,又采用冷却的方法使氨分离。
考点七十六人工固氮技术-合成氨聚焦与凝萃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。
解读与打通常规考点一、氮的固定1.定义:氮的固定是指将游离态的氮转化为化合态氮的方法。
2.方法:氨的固定主要方法有:(1)人工合成氨:化学固氨法。
其条件要求高、成本高、转化率低、效率低。
(2)根瘤菌,生物固氨。
常温常压下进行。
成本低、转化率高、效率高。
3.工业应用:模拟生物的功能,把生物的功能原理用于化学工业生产,借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。
二、合成氨的反应原理1.反应原理:N2+3H2催化剂2NH3高温高压2.反应特点:合成氨反应是一个可逆、放热、气体分子总数减少的反应。
3.反应条件:工业上,合成氨的适宜条件为铁作催化剂、400~500 ℃、10~30 MPa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: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)。
1.原料气的制备(1)氮气的制备:①物理方法:物理方法为将空气液化,蒸发分离出氧气。
②化学方法:将空气中的氧气与碳作用生成CO2,再除去CO2。
(2)氢气的制备:①碳与水蒸气的反应,用方程式表示为:C +H 2O=====高温CO +H 2。
②水蒸气与碳氢化合物的反应,用方程式表示为:CH 4+H 2O=====高温3H 2+CO ,CH 4+H 2O=4H 2+CO 2(催化剂、高温)。
2.原料气的净化(1)含义:原料气的净化是指除去原料中杂质的过程,目的是防止催化剂中毒。
(2)净化方法①H 2S 的除去,用方程式表示为:H 2S +NH 3·H 2O=NH 4HS +H 2O ;②CO 的除去,用方程式表示为:CO +H 2O=====△CO 2+H 2;③CO 2的除去,用方程式表示为:K 2CO 3+CO 2+H 2O=2KHCO 3。
高一化学人工固氮技术──合成氨试题1.(2013•重庆二模)下列工业生产所涉及的化学用语表达不正确是()A.工业上制取氯气:MnO2+4HCl Cl2↑+MnCl2+H2OB.工业上合成氨:N2+3H22NH3C.工业上制取粗硅:SiO2+2C Si+2CO↑D.工业上生产漂白粉:2Cl2+2Ca(OH)2=CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O【答案】A【解析】A.工业上制取氯气大多采用电解饱和食盐水的方法;B.工业上合成氨是氢气和氮气在高温高压催化剂作用下反应生成氨气;C.工业上焦炭还原石英砂(SiO2)来制取粗硅;D.工业上用氯气与熟石灰反应制取漂白粉.解:A.工业上制取氯气大多采用电解饱和食盐水的方法,反应的化学方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,故A错误;B.工业合成氨是氢气和氮气在高温高压催化剂作用下反应生成氨气,反应的化学方程式为:N2+3H22NH3,故B正确;C.工业上焦炭还原石英砂(SiO2)来制取粗硅,同时生成CO,反应的化学方程式为:SiO2+2CS i+2CO↑,故C正确;D.工业上用氯气与熟石灰反应制取漂白粉,反应的化学方程式为:2Cl2+2Ca(OH)2=CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O,故D正确;故选:A.点评:本题主要考查了物质的工业制法,掌握反应的原理是解题的关键,难度中等.2.(2013•闵行区二模)下列关于合成氨和联合制纯碱工业生产的叙述中,正确的是()A.合成氨生产过程中将NH3液化分离,可加大正反应速率,提高N2、H2的转化率B.联合制碱法生产工艺中采用循环操作,其目的是提高食盐的利用率C.从氨合成塔出来的混合气体中NH3只占15%左右,所以生产氨的工厂效率都很低D.联合制碱法中关键的一步是向分离出NaHCO3晶体后的母液中不断地通入CO2【答案】B【解析】A、根据外界条件改变,对化学反应速率的影响和对化学平衡的影响角度进行解答;B.采用循环操作可提高原料的利用率;C.虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%,但由于原料气N2和H2循环使用和不断分离出液氨,所以生产NH3的效率还是很高的;D.联合制碱法中关键的一步是饱和氯化钠溶液中先通入氨气再通入CO2.解:A、合成氨生产过程中将NH3液化分离,减小氨气的浓度会导致正逆反应速率减慢,但平衡向正反应方向移动,提高了N2、H2的转化率,故A错误;B.联合制碱法生产工艺中循环使用食盐,其目的是提高食盐的利用率,故B正确;C.虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%,但由于原料气N2和H2循环使用和不断分离出液氨,所以生产NH3的效率还是很高的,故C错误;D.联合制碱法中关键的一步是饱和氯化钠溶液中先通入氨气再通入CO2,故D错误;故选:B.点评:本题主要考查了合成氨和联合制纯碱工业生产的原理以及注意事项,难度不大,根据课本知识即可完成.3.(2012•嘉定区三模)下面是合成氨的简要流程示意图:沿X路线回去的物质是()A.N2和H2B.催化剂C.N2D.H2【答案】A【解析】根据合成氨工业中,利用氨易液化,分离出N2、H2循环使用,可使平衡向正反应方向移动,则氨气的产率增大.解:合成氨工业中,利用氨易液化,分离出N2、H2循环使用,可使平衡向正反应方向移动,则氨气的产率增大,所以沿X路线回去的物质是N2、H2,故选A.点评:本题主要考查了合成氨工业的原理,难度不大,根据原理即可解决.4.(2009•汕头模拟)合成氨工业有下列流程:①原料气制备;②氨的合成;③原料气净化和压缩;④氨的分离.其先后顺序为()A.①②③④B.④③②①C.①③②④D.②③④①【答案】C【解析】合成氨工业有下列流程:原料气制备、原料气净化和压缩、氨的合成、氨的分离,以此来解答.解:因合成氨工业有下列流程:原料气制备、原料气净化和压缩、氨的合成、氨的分离,故选C.点评:本题主要考查了合成氨工业,掌握合成氨工业的流程即可完成,难度不大.5.(2005•白山一模)下列工业生产所用主要原料(括号内物资)不合理的是()A.合成NH3(焦碳、空气、水)B.炼铁(铁矿石、焦碳、石灰石、空气)C.生产乙烯(酒精、浓硫酸)D.水泥工业(石灰石、粘土)【答案】C【解析】根据合成NH3、炼铁、水泥工业的原料分析;工业上,乙烯是石油裂解的产物,主要是从石油炼制工厂和石油化工厂所生产的气体里分离出来,据此分析.解:A、合成NH3的反应物氮气是由空气分离得到的,氢气是由焦碳和水反应生成的,故A正确;B、炼铁是用焦碳作还原剂与氧气反应生成CO,用CO还原铁矿石,加石灰石是为了除去铁矿石中的硫、硅等杂质,故B正确;C、工业上,乙烯是石油裂解的产物,主要是从石油炼制工厂和石油化工厂所生产的气体里分离出来,实验室制备乙烯的原料是酒精、浓硫酸,故C错误;D、水泥工业是以石灰石、粘土为原料在高温条件下反应生成的,故D正确;故选C.点评:本题考查了几种工业生产的原料,注意工业生产与实验室制取,原理可能不同,题目难度不大.6.下列有关合成氨的叙述中,正确的是()A.合成氨是天然固氮的一种方法B.合成塔是合成氨的关键设备C.采用“高温、高压、催化剂”的反应条件,可使N2和H2完全转化为NH3D.压强一定时,升高温度可以提高平衡混合物中氨的含量【答案】B【解析】A.合成氨是人工固氮的一种方法;B.工业合成氨在合成塔中进行;C.合成氨为可逆反应;D.合成氨为放热反应,从温度对平衡的影响考虑.解:A.合成氨是人工固氮的一种方法,自然固氮指雷电或根瘤菌固氮,故A错误;B.工业合成氨在合成塔中进行,故B正确;C.合成氨为可逆反应,故采用“高温、高压、催化剂”的反应条件,也不能使N2和H2完全转化为NH3,故C错误;D.合成氨为放热反应,升高温度,平衡向吸热方向移动,故减少氨的含量,故D错误;故选B.点评:本题考查了工业合成氨的反应原理,难度较小,要注意人工固氮和天然固氮的区别.7.工业上利用合成氨实现人工固氮.属于合成氨主要原料的是()A.NO2B.空气C.Na2CO3D.KNO3【答案】B【解析】合成氨中原料气N2可从空气中分离得到,H2可用甲烷在高温下与水蒸气反应制得.解:工业用氮气和氢气合成氨,合成氨中原料气N2可从空气中分离得到,H2可用甲烷在高温下与水蒸气反应制得,故选B.点评:本题考查了氨的工业制法,较简单,注意空气是获得原料气氮气的廉价资源.8.下列有关物质用途的说法中正确的是()A.工业上利用氨气制硝酸属于人工固氮B.在食品包装袋内放入生石灰可以防止食品因氧化而变质C.氢氧化铝、碳酸镁、小苏打等可用于治疗胃酸过多D.硅可用于制造光导纤维【答案】C【解析】A.根据氮的固定概念分析;B.生石灰的性质是易吸收水,可用于防潮;C.胃酸的主要成分为盐酸,可选择能和盐酸反应的物质;D.光导纤维的成分为二氧化硅,依此分析.解:A.把游离态氮转化为氮的化合物的过程较氮的固定,氨气为化合物,故A错误;B.生石灰的性质是易吸收水,可用于防潮,故B错误;C.胃酸的主要成分为盐酸,氢氧化铝、碳酸镁、小苏打等能和盐酸,中和胃酸,故C正确;D.光导纤维的成分为二氧化硅,故D错误.故选C.点评:本题考查了氮的固定和常见无机物的用途,较基础,性质决定用途,掌握性质是关键.9.下列生产工艺不能体现“绿色化学”思想的是()A.海水提镁:用电解氯化镁产生的氯气制取盐酸B.工业制硫酸:提高尾气排放的烟囱高度C.工业制胆矾:使用稀硫酸、双氧水溶解铜D.火力发电:在燃煤中加入适量生石灰【答案】B【解析】根据“绿色化学”要求从根本上减少或杜绝污染,尽可能使原料的利用率提高进行解答.解:A.海水提镁:用电解氯化镁产生的氯气制取盐酸,既节约资源,又减少污染,符合“绿色化学”思想,故A正确;B.工业制硫酸:提高尾气排放的烟囱高度,既没有节约资源,也没有减少污染,不符合“绿色化学”思想,故B错误;C.工业制胆矾:使用稀硫酸、双氧水溶解铜,既提高了酸的利用率,又无污染,符合“绿色化学”思想,故C正确;D.火力发电:在燃煤中加入适量生石灰,既节约资源,又可以减少污染,符合“绿色化学”思想,故D正确;故选B.点评:本题考查绿色化学的含义,题目难度不大,只要抓住题干中所给出的“绿色化学”的要求,即可顺利作答.10.德国人弗里茨•哈伯(Fritz Haber)由于发明了合成氨的方法而获得1918年诺贝尔化学奖,他的发明大大提高了农作物的产量同时也提高了硝酸、炸药的产量.下列说法中正确的是()A.N2和H2在点燃或光照条件下可合成氨B.氨水显酸性C.氨气遇到浓盐酸会发生反应产生白烟D.由氨制取硝酸过程中,氮元素被还原【答案】C【解析】A.根据工业合成氨的条件;B.氨水中的一水合氨发生电离:NH3•H2O⇌NH4++OH﹣;C.氨气与氯化氢反应生成氯化铵,反应产生白烟;D.由氨制取硝酸过程:①4NH3+5O2=4NO+6H2O,②2NO+O2=2NO2,③3NO2+H2O=2HNO3+NO,氮元素的化合价在升高.解:A.工业合成氨的条件:N2和H2在高温、高压、催化剂的条件下合成氨,在点燃或光照条件下不可合成氨,故A错误;B.氨水中的一水合氨发生电离:NH3•H2O⇌NH4++OH﹣,溶液呈碱性,故B错误;C.氨气遇到浓盐酸挥发出氯化氢发生反应生成氯化铵,产生白烟,故C正确;D.由氨制取硝酸过程:①4NH3+5O2=4NO+6H2O,②2NO+O2=2NO2,③3NO2+H2O=2HNO3+NO,氮元素的化合价在升高,被氧化,故D错误;故选C.点评:本题主要考查了物质的性质、反应的条件、物质的制备原理,难度不大,注意知识的积累.。
人工固氮技术——合成氨A组1.人工固氮的成功对人类社会的进步具有重大意义,下列过程属于人工固氮的是( )A.种植豆科植物,利用其根瘤菌将氮气转化为蛋白质B.闪电时氮气与氧气化合,生成的氮的化合物被植物吸收C.化工厂中在催化剂作用下使氮气与氢气化合成氨气D.以氨气为原料生产各种化肥解析:豆科植物的根瘤菌将氮气转变成植物蛋白属于生物固氮过程,A错误;闪电时氮气和氧气反应生成NO,是在自然条件下的氮的固定,B错误;在一定条件下反应生成N属于工业合成氨的过程,属于人工固氮方式,C正确;由N生产各种化肥,是氮的化合物之间的转化过程,不属于氮的固定过程,D 错误。
答案:C2.在合成氨时,可以提高H2转化率的措施是( )A.延长反应时间B.充入过量H2C.充入过量N2D.升高温度解析:A项不能提高转化率,B、D项反而会降低H2转化率;只有充入过量N2才能使平衡向正反应方向移动,提高H2转化率,故C正确。
答案:C3.合成氨工业中采用循环操作,主要是为了( )A.加快反应速率B.提高NH3的平衡浓度C.降低NH3的沸点D.提高N2和H2的利用率解析:合成氨工业采用循环操作,将N2、H2循环压缩到合成塔中,提高了N2、H2的利用率。
答案:D4.化工生产中,为加快反应速率应优先考虑的措施是( )A.选用适宜的催化剂B.采用高压C.采用高温D.增大反应物浓度解析:化工生产中应首先考虑的是生产成本,因此应先考虑使用催化剂,提高反应速率。
答案:A5.合成氨生产过程采取的措施与化学平衡移动原理无关的是( )A.选择适当的温度B.增大体系压强C.使用铁触媒作催化剂D.不断分离出氨解析:催化剂只能改变化学反应速率,对平衡移动无影响。
答案:C6.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,氨气占15%,所以生产氨的工厂的效率都很低B.由于氨易液化,N2和H2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400~500 ℃,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:虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%,但由于原料气N2和H2循环使用和不断分离出液氨,所以生产NH3的效率还是很高的,因此A项错误;控制反应温度为400~500℃,主要是为了使催化剂活性最大,因此,C选项错误;增大压强有利于NH3的合成,但压强越大,需要的动力越大,对材料的强度和设备的制造要求越高,我国的合成氨厂一般采用1×107~3×107Pa,但这并不是因为该压强下铁触媒的活性最大,因此,D选项错误。
【高中化学】高中化学知识点:合成氨(人工固氮)氮的固定:1.定义:氮的固定是指将游离态的氮转化为化合态氮的方法。
2.方法:氮的固定主要方法有:(1)人工合成氨:化学固氨法。
其条件要求高、成本高、转化率低、效率低。
(2)根瘤菌,生物固氨。
常温常压下进行。
成本低、转化率高、效率高。
3.工业应用:模拟生物的功能,把生物的功能原理用于化学工业生产,借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。
二、合成氨的反应原理1.加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氨气的混合气体,可以看到湿润的PH试纸变蓝色2.用氢气和氨气合成氨的反应式是N2+3H22NH3,属放热反应。
3.工业上,采用以铁为主的催化剂,在400~500℃和10Mpa~30 Mpa的条件下合成氨。
(1)催化剂的主要作用:成千上万倍地加快化学反应速率,缩短达平衡的时间,提高日产量。
(2)合成氨的适宜条件:以铁为主的催化剂,在400~500℃和10Mpa~30 Mpa的条件(3)选择适宜生产条件的原则:有较高的反应速率和平衡转化率,能最大限度地提高利润。
(4)合成氨生产时,不采用尽可能高的压强,通常采用10MPa~30MPa 的压强,否则会增大设备的动力要求,增大成本。
(5)合成氨的反应为放热反应,降低温度促使平衡向有移动,有利于N2、H2转化为NH3;但降温必然减缓了反应速率,影响单位时间产率。
生产中将二者综合考虑,既要保证N2、H2的转化率,又要保证较快的反应速率,只能选择适中的温度400~500℃左右。
应注意该温度为催化剂活化温度,低于此温度,催化剂不起作用。
(6)催化剂是影响反应速率的几个因素中,对反应速率影响程度最大的。
催化剂的特点:①选择性:不同的反应选择不同的催化剂,如合成氨选择了铁触媒。
每种催化剂都是对特定的反应有催化作用,并非能改变任何化学反应的速率。
②灵敏性:催化剂中混入杂质,常常会失去催化作用,称催化剂“中毒”,因此反应气体进入反应器前必须净化。