课题2　人工固氮技术──合成氨教案和学案内容

第一单元 走进化学工业

课题2 人工固氮技术-------合成氨

教学目标

知识与技能

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.了解合成氨反应原理、反应条件和生产流程等。

3.了解合成氨化工生产的过程。

过程与方法

利用多媒体演示人工固氮技术合成氨的反应条件、原料选择和生产过程。

情感、态度和价值观

在讨论与交流中培养学生对于化学学科的兴趣，逐步培养独立思考的能力和提高自主学习化学的能力。

教学重、难点

化学反应速率和化学平衡原理及合成氨的适宜条件。

教学过程

课堂引入：大家知道我们大气主要是由氮气和氧气组成的，那么自然界中游离态的氮是怎样转化为化合态的氮呢？

一、氮的固定

主要的固氮反应有：生物固氮、自然固氮、化学固氮和人工模拟生物固氮。

1、生物固氮：是一种主要的自然固氮反应，如植物在根瘤菌作用下直接吸收空气中的N2转化为氨等，进一步合成氮白质。

2、自然固氮：如闪电产生的巨大电压，其电火花足可以击破氮分子的叁键，促使其与氧气反应生成NO.进而生成NO2和HNO3等。

3、化学固氮：合成氨反应；在放电条件下使氮气与氧气反应生成NO等；氮气与镁反应生成氮化镁。

4、人工模拟生物固氮：通过化学方法，制备出类似生物“固氮菌”的物质，使空气中的氮气在常温常压下与水及二氧化碳等反应，转化为氨态氮或铵态氮，进而实现人工合成大量的蛋白质等，最终实现工厂化生产蛋白质食品。

二、合成氨的反应原理及反应条件

分析课本实验，结合学习过的物理、化学性质根据试管口处湿润的PH试纸的变化，推测有关反应。

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+3H2

催化剂

高温高压

2NH3

，属放热反应。

根据合成氨的反应原理以及化学平衡原理选择合成氨的适宜条件是：

使用过量的氮气，以铁为催化剂加快反应速率，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的条件下进行

思考：

1、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。

2、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。

3、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。

三、工业合成氨的生产过程

合成氨的生产过程主要分为以下步骤：

（1）造气

制备合成氨的原料气

；

（2）净化

原料气的净化处理；

（3）合成

将原料气进行化学合成为氨。

1.制备合成氨的原料气

(1)制取N2：物理方法为将空气液化，蒸发分离出氧气。

化学方法为将碳在空气中燃烧，O2充分反应后除去CO2制取氮气。

(2)制取H2：

①用水蒸气通过赤热的煤层，由水蒸气与碳反应制得。主要反应为

C＋H2O====CO＋H2。

②也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气中的碳氢化合物与水蒸气在催化剂作用下制

备。主要反应为

CH4＋H2O ==== 3H2＋CO

CH4＋2H2O ==== 4H2＋CO2 2. 原料气净化处理

（1）原料气净化的原因：除去某些杂质，防止使合成氨所用的催化剂中毒。

（2）用稀氨水吸收H2S杂质

：

NH3·H2O＋H2S ==== NH4HS＋H2O （3）使CO变成CO2

：

CO＋H2O ==== CO2＋H2

（4）用K2CO3吸收CO2

：

K2CO3＋CO2＋H2O ==== 2KHCO3

（5）最后，原料气还需进行精制处理，如用醋酸、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

（1）氨的合成：将净化的原料气加压送进合成塔，在适宜条件下充分反应制取氨。

（2）从合成塔出来的混合气体，其中氨气占总体积的15%，要把混合气体通过冷凝器使氨液化，再导入液氨贮罐。

四、合成氨工业的发展

1.原料及原料气的净化

原料气之一的氮气来自空气，目前氢气主要通过不同的固态（煤和焦炭）、液态（石油提炼后的石脑油、重油）、气态（天然气、焦炉气）可燃物为原料。

2.催化剂的改进

多年来一直用磁铁矿催化剂，目前有采用钌为基础活性物质的新型催化剂。

3.环境保护

（1）废渣：可用作建材和肥料的原料。

（2）废气：主要是H2S和CO2

等有害气体，对H2S的处理，可用直接氧化法（选择性催

化氧化）、

循环法（用溶剂吸收浓缩），CO2也可用来生产尿素和碳铵等。

（3）废液：主要是含氰化物和含氨的污水，处理含氰化物主要用有生化、加压水解、氧化分解、

化学沉淀、反吹回炉等方法。处理氨废水可用蒸馏的方法回收，也可用离子交换法治理。

五、课堂小结

本堂内容我们主要探究了合成氨的反应原理，由反应原理可以得出合成氨的反应条件；介绍了合成氨的生产过程分造气、净化和合成三步进行。

六、课堂练习

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

C.500 ℃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

2.合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率增快，可采取的办法是( A.补充N2 B.升高温度

C.减小压强

D.分离出NH3 )