课题2　人工固氮技术──合成氨教学目标设计

课题2 人工固氮技术——合成氨

课程目标：

1．了解工业合成氨的基本原理、基本生产过程以及合成氨工业的发展。

2．了解工业获得合成氨的大量廉价原料气的方法，了解合成氨原料气循环利用的原理和重要意义。

3．了解工业合成氨与环境的关系。

重难点：

1、合成氨条件的选择

2、、合成氨的生产工艺

3、合成氨原料气的制备

新课导入：

德国化学家哈伯(1868—1934)一生从事化学研究，曾在1906年发明了氨的合成法，1908年又发明了合成氨的催化剂，为工业化生产奠定了基础。

思考：如何利用空气中的氮气来合成氮肥呢？

答案：氮气与氢气在高温、高压和催化剂条件下生成氨气，由氨气来合成氮肥。

教学过程：

一、合成氨的反应原理

1．反应的化学方程式

工业合成氨反应的化学方程式________________________________________。

2．反应的特点

(1)____________________反应；

(2)____________________反应；

(3)气体分子总数____________________的反应。

3．适宜化工生产条件的选择

温度：____________；压强：______________；催化剂：____________________。

自主思考：①合成氨反应中催化剂的主要作用是什么？②合成氨方案的主要优点是什么？

二、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)制备氮气

方法一：__________________________。

方法二：________________________________。

(2)制备氢气

方法一：水蒸气与碳反应，化学方程式为__________________。

方法二：甲烷与水蒸气反应，化学方程式为______________________；____________________________。

2．原料气的净化

(1)除去H2S(用氨水)的化学方程式为______________________。

(2)除去CO的化学方程式为______________________，__________________________。

(3)精制原料气：用________、________和________配制成的溶液来吸收__________、________、______、________等少量有害气体。

自主思考：为什么对原料气进行净化？

3．氨的合成与分离

(1)氨的合成：净化后的原料气进入氨合成塔，在__________、__________和____________作用下合成氨。

(2)氨的分离：从合成塔出来的混合气体通过________使氨________，从而将氨分离出来。

自主思考：合成塔出来的混合气体中约含15%体积分数的氨，分离出氨后为什么要进行循环操作？

三、合成氨工业的发展

1．原料及原料气的净化

2．催化剂的改进

3．环境保护

废渣：用途为________________。

废气：主要是________和________等有害气体。

废液：主要是含________和含________的污水。

自主思考

提示：①催化剂的主要作用是提高反应速率。

②合成氨方案的主要优点：反应物较易获得，通过改变反应条件可以提高氨的产率。

知识点1 合成氨适宜条件的分析

【例题1】

合成氨工业采取的下列措施中，不能用勒夏特列原理解释的是(

)。

①10～30 MPa ②500 ℃的高温

③铁触媒作催化剂

④将生成的氨液化并及时从体系中分离出来，未反应的N2、H2循环到合成塔中

A．①

B．②和③ C．③和④

D．④

解析：对于反应N2＋3H2

2NH3，①中加压可使平衡向正反应方向移动；②中高温不利于反应物转化率的提高，只能加快反应速率；③中催化剂不影响化学平衡；④中及时分离出NH3和将未反应的N2、H2循环到合成塔中，都使平衡向正反应方向移动。

答案：B 点拨：勒夏特列原理只能解释有关平衡移动的问题，不能解释化学反应速率的问题。

知识点2 合成氨的基本生产过程

【例题2】

工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应：

N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)。其部分工艺流程如下：

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哪种方法？____________________(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：(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，所以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)2NH3＋3Cl2===N2＋6HCl，生成的HCl又与NH3反应生成NH4Cl小颗粒——白烟产生。

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 通过改变温度而改变物质的状态，达到分离的目的

(4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2

点拨：在合成氨反应的平衡混合物中氨的体积分数仅占15%，还有大量的氮气和氢气未反应。为了充分利用原料，要把氨及时分离出来，使未反应的原料气重新得到利用。