课题2　人工固氮技术──合成氨教案设计（一等奖）

人教版

选修2

第一单元

走进化学工业（课题2

人工固氮技术——合成氨）

[学习目标]

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。3.体验实验室研究与实际生产之间转化过程。

课前预习

一、氮的循环

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

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）氮的固定

合成氨人工固氮仿生固氮【思考·讨论】

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——工业合成氮

放电N2＋O2=====2NO

2NO＋O2===2NO2

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO

二、合成氨的反应原理

(1)由N2与H2直接合成氨的化学原理为：

(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。

【思考·讨论】

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；但降低温度则反应速率降低，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。

三、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

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：

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

(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。

【思考·讨论】

1．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。

2．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。

四、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。

【思考·讨论】

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

重点知识讲解

一、合成氨适宜条件的选择

运用化学反应速率和平衡移动原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。

1．合成氨反应的速率分析

增大压强有利于提高化学反应速率

使用催化剂适当提高氮气、氢气比2．合成氨的化学平衡分析

降低温度有利于提高转化率

增大压强综合可知合成氨的适宜条件为：

(1)温度：400～500 ℃；

(2)压强：10～30 MPa；

(3)催化剂：以铁为主的催化剂。

【例1】

下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理解释的是(

) 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

答案

B 变式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

升高温度

C．②⑥

答案

C

D．②③⑥⑦

【例2】

实验室模拟合成氨和氨催化氧化的流程如下：

已知实验室可用饱和亚硝酸钠(NaNO2)溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。

(1)从上图中选择制取气体的合适装置；氮气________、氢气________(用字母表示)。

(2)氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有

__________________、___________________。

(3)把从氨合成器出来经冷却的气体连续通入乙装置的水中吸收氨，________(填“会”或“不会”)发生倒吸，原因是_____________________________________。

(4)用乙装置吸收氨，一段时间后，再通入空气，同时将经加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶内，能使铂丝保持红热的原因是_________________________________，

锥形瓶中还可观察到的现象是____________________________________________。

(5)写出乙装置中氨氧化的化学方程式：___________________________________。

(6)反应结束后锥形瓶内的溶液中含有H＋、OH－、________、________。

答案

(1)a

b

(2)干燥气体

控制氢气和氮气的流速

(3)不会

因为混合气体中含有大量难溶于水的氮气、氢气两种气体

(4)氨的氧化反应是一个放热反应

有红棕色气体产生

(5)4NH3＋5O2变式2

已知：N2(g)＋3H2(g)

2SO3(g)(正反应为放热反应)。

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

二、合成氨工艺流程及发展

1．工业合成氨生产要经过造气(制备合成氨的原料气N2和H2)、净化(原料气净化处理)、合成(将原料气进行化学反应合成氨)三个基本步骤，如下所示。

－4NO＋6H2O

(6)NH＋4

NO3

2NH3(g)(正反应为放热反应)，2SO2(g)＋O2(g)

2．工业生产工艺流程的一般设计思路

规律：主线主产品、分支副产品、回头为循环。

【例3】

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________。

A．相似相溶原理

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)整个流程有三处循环：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

B．勒夏特列原理

(4)生产纯碱(或作制冷剂等) (5)

变式3

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) 课堂检测

1．下列反应不属于氮的固定的是(

) 放电A．N2＋O2=====2NO B．NH3＋HCl===NH4Cl

C．N2＋3H22NH3

△D．N2＋3Mg=====Mg3N2

答案

B 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 3．合成氨反应达到平衡时NH3的体积分数与温度、压强的关系如下图所示。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

C．研制低温催化剂

答案

C 4．工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应：

B.研制耐高压的合成塔

D.探索不用N2和H2合成氨的新途径

N2(g)＋3H2(g)

2NH3(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”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

c．分液

b．蒸馏

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