课题2　人工固氮技术──合成氨ppt配套的板书设计及意图

课题2

人工固氮技术——合成氨

[目标导航]

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，体验化工生产的过程，体验实验室研究与实际生产之间转化过程。

一、氮的循环及合成氨的反应原理

1．含氮化合物对人类生活有着十分重要的意义

(1)氮元素是植物生长不可缺少的元素之一。

(2)含氮化合物还用于制造染料、人造纤维、油漆、炸药和许多其他产品。

2．氮的固定

(1)氮的存在和固定

①存在：地壳中氮的含量只有0.04%，而大气中氮气的体积分数为78%。

②氮的固定：是指将游离态氮转变为化合态氮的方法。

(2)分类

氮的固定合成氨人工固氮仿生固氮

放电高能固氮N2＋O2=====2NO自然固氮生物固氮豆科植物的根瘤菌固氮

3．合成氨的反应原理

(1)由N2与H2直接合成氨的化学原理为

N2＋3H2高温、高压催化剂2NH3。

(2)实验室合成氨

实验装置

①铁丝绒的作用：催化剂。

②润湿的pH试纸的作用：检验生成的氨气，现象pH试纸变蓝。

(3)工业上，通常采用以铁为主的催化剂，在400～500 ℃和10～30 MPa的条件下合成氨。

[议一议]

1．你知道氮固定的主要途径有哪些？通过闪电引发自然固氮的原理是什么？

答案

豆科植物的根瘤菌固氮，雷电固氮，人工固氮——工业合成氨

N2＋O2=====2NO

2NO＋O2===2NO2

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 2．试从速率和平衡的角度综合分析合成氨工业选择400～500 ℃的温度，10～30 MPa的压强的原因。

答案

合成氨反应是一个可逆、放热、气体分子总数减小的反应。根据勒夏特列原理，温度越低，压强越大，该反应的平衡体系中氨的含量越高；但降低温度使反应速率降低，增大压强对设备要求较高，而400～500 ℃时催化剂活性最好，10～30 MPa下N2、H2的转化率已经较高，故选择在该条件下进行合成氨。

二、合成氨的基本生产过程及工业发展

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

放电

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H2S的化学方程式：

H2S＋NH3·H2O===NH4HS＋H2O。

②除去CO的有关化学方程式：

CO＋H2O=====CO2＋H2。

△CO2＋K2CO3＋H2O===2KHCO3。

③精制原料气：用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收CO、CO2、O2、H2S等少量有害气体。

3．氨的合成与分离

催化剂

(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出来并导入液氨贮罐，余下的气体再经过循环压缩机送到合成塔中进行反应。

4．合成氨工业的发展

合成氨工业的主要研究领域有以下三个方面：

(1)原料及原料气的净化。

(2)催化剂的改进。

(3)环境保护

废渣：用作建材和肥料的原料；

废气：主要是H2S和CO2等有害气体；

废液：主要是含氰化物和含氨的污水。

[议一议]

1．据上一课题中的“硫酸工业流程”，画出合成氨生产的工艺流程。

答案

2．在净化阶段用K2CO3溶液吸收CO2，在加压的条件下进行的理论依据是什么？

答案

加压不仅能增大反应速率还能使平衡向右移动，提高CO2的吸收率。

3．在化工生产中，常采用循环操作，这种操作的目的是什么？合成氨工业可以进行哪些联合生产或深加工？

答案

合成氨是可逆反应，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，这样可以提高原料的利用率，降低生产成本。合成氨可与尿素、硝酸、碳酸氢铵、纯碱等工业联合生产使原料充分利用，减少物流、交通所耗费的人力、物力，降低生产成本。

一、合成氨条件的理论分析

1．浓度：因为增大反应物浓度，能提高反应速率和使平衡正向移动，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，实际生产，

n(H2)∶n(N2)≈2.8∶1。

2．压强：无论从反应速率还是从化学平衡考虑，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。

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400～500 ℃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。目前工业上多采用以铁为主的催化剂。

5．及时将NH3从平衡体系中分离出来，并将N2、H2重新压缩后输入合成塔再次利用，提高原料的利用率。

例1

合成氨时既要使氨的产率增大，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NH3

⑥补充N2或H2

⑦加催化剂

⑧减小N2或H2的量

A．①④⑤⑦

B．③⑤⑧

C．②⑥

D．②③⑥⑦

答案

C 解析

合成氨反应N2(g)＋3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g)

ΔH＜0的特点为可逆、放热、气体分子总数减小。要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快，应选C。

变式训练1

已知：N2(g)＋3H2(g)O2(g)2SO3(g)(正反应为放热反应)。

2NH3(g)(正反应为放热反应)，2SO2(g)＋请回答下列问题：

(1)从影响化学反应速率和化学平衡的因素分析，要有利于NH3和SO3的生成，理论上应采取的措施是__________________。实际生产中采取的措施是____________________________。

(2)在合成氨的工业生产中，要分离出氨，目的是____________________；而合成SO3的过程中，不需要分离出SO3，原因是________________________________________________。

答案

(1)高温、高压、催化剂

合成氨：高温、高压、催化剂；合成SO3：高温、常压、催化剂

(2)减小生成物的浓度，使平衡向生成NH3的方向移动

该反应向生成SO3的方向进行程度较大，达到平衡后SO2剩余量较少，故不需要分离出SO3

解析

工业上合成SO3与合成氨的最大不同之处是该反应是在常压下进行的，原因是在常压下该反应向生成SO3的方向进行程度已经很大，采用高压虽能使平衡向生成SO3方向移动，但产生高压既需要动力又对反应容器耐压性有较高要求，综合生产成本和经济效益两方面因素，实际生产时，在常压下进行最合理。

二、工业合成氨的流程分析

工业生产流程主线

规律：主线主产品、分支副产品、回头为循环。

核心考点：物质的分离操作、除杂试剂的选择、生产条件的控制。

例2

利用天然气合成氨的工艺流程如下图所示：

根据上述流程，完成下列填空：

(1)天然气脱硫时的化学方程式是_____________________________________________。

(2)n mol CH4经一次转化后产生CO 0.9n mol、产生H2________mol(用含n的代数式表示)。

(3)K2CO3(aq)和CO2反应在加压下进行，加压的理论依据是________(填字母序号)。

A．相似相溶原理

B．勒夏特列原理

C．酸碱中和原理

(4)由KHCO3分解得到的CO2可用于________(写出CO2的一种重要用途)。

(5)在整个流程中有三处循环：一是Fe(OH)3循环，二是K2CO3(aq)循环，请在上述流程图中标出第三处循环。

答案

(1)3H2S＋2Fe(OH)3===Fe2S3＋6H2O (2)2.7n

(3)B (4)生产纯碱(或作制冷剂等) (5)

解析

(1)流程图中已给出反应物是H2S和Fe(OH)3，生成物是Fe2S3和H2O，CH4没有参与反应，写出方程式再配平即可。(2)写出方程式后很容易看出H2的物质的量。(3)是勒夏特列

原理的应用。(4)考查CO2的用途。(5)是对合成氨工业中实际应用的循环操作进行设问和考查。

变式训练2

合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义，下图是工业合成氨的简要流程示意图。

(1)合成氨的原料气往往混有CO2等杂质，在进入合成塔之前需净化，净化的原因是________________________________________________________________________。

(2)工业上合成氨选择的适宜条件是：以铁为主的催化剂、________、________。

(3)沿X路线进入合成塔的物质是__________，这样设计的意义是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(4)目前工业制硝酸所采用的主要方法是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

答案

(1)防止催化剂“中毒”

(2)400～500 ℃

10～30 MPa (3)N2和H2

未反应的氮气和氢气循环进入合成塔，使氮气和氢气得到充分利用(或提高原料的利用率) (4)氨催化氧化法(或氨氧化法) 解析

(1)气体中的杂质能使催化剂中毒，使活性降低，降低催化效率，因此气体要净化。

(2)由工业合成氨可知，合成氨的条件是以铁为主的催化剂、400～500 ℃、10～30 MPa，在此条件下，合成氨的产率、反应速率以及经济效益为最佳。

(3)合成氨为可逆反应，分离出氨气后，氮气和氢气需要回收利用，再次将其通入合成塔中，可以降低成本以及提高原料利用率。

(4)因为合成氨是制硝酸的基础，所以氨催化氧化法是目前工业制硝酸所采用的主要方法，原因为原料来源广并且价格便宜。

1．下列有关催化剂的性质、作用的说法正确的是(

) A．合成氨反应若不使用催化剂，该反应就不能进行

B．反应前后催化剂的质量不改变，但化学性质要改变

C．催化剂能缩短反应到达平衡所用的时间，但催化剂损耗量较大

D．催化剂可以同等程度地改变正、逆反应速率

答案

D 2．对于可逆反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)

ΔH<0，下列说法正确的是(

) A．达到平衡时反应物和生成物浓度一定相等

B．达到平衡后加入氨气，重新达到平衡时，氨气的浓度比原平衡时大

C．达到平衡时，升高温度加快了吸热反应的速率，降低了放热反应的速率，所以平衡向逆反应的方向移动

D．加入催化剂可以缩短到达平衡的时间，这是因为加快了正反应的速率，而减慢了逆反应的速率

答案

B 解析

本题往往错选C、D，原因是对升高温度可以使平衡向吸热反应方向移动的原因认识不清；对使用催化剂可缩短到达平衡所用时间的原因认识不清；正确选项为B。

3.合成氨反应达到平衡时NH3的体积分数与温度、压强的关系如右图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是(

)

A．提高分离技术

B．研制耐高压的合成塔

C．研制低温催化剂

D．探索不用N2和H2合成氨的新途径

答案

C 解析

由图可知：NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体积分数，必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒活性最好时的温度为500 ℃。故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。

4．工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应：

N2(g)＋3H2(g)其部分工艺流程如下图所示：

高温、高压催化剂2NH3(g)

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”的目的是____________________________________ ________________________________________________________________________，

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________(填字母)。

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________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

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

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，氨气变为液态，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。