课题2　人工固氮技术──合成氨特级教师教学实录

人工固氮技术-------合成氨

教学设计

教学目标

1.利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题；

2.了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义。

教学重点、难点：利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。

探究建议：观看有关的影像资料片，上网查找企业的选址情况，收集产品的生产原理、原料利用率、能耗、投资和成本核算等资料。

教学过程：

课的导入(观看雷雨发庄稼图片、自然固氮练习图) 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。

（一）合成氨的反应原理

【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

N2+3H2

催化剂

高温高压

2NH3

，属放热反应。

【讨论交流】结合已学化学平衡知识分析下面的问题

（1）、压强

增大压强

化学反应速率增大，

且平衡正向移动

压强越大越好，但受动力、材料、设备影响

10MPa~30MPa

（3）反应物的浓度

氮气与氢气之比约为1:3 氮气过量，增大氢气转化率，且平衡正向移动

（4）催化剂：使用铁触媒，可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。

（二）合成氨的反应条件

工业上，采用以铁为主的催化剂，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa、氮气过量的条件下合成氨。

（三）工业合成氨的原料气选择

（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用水蒸气和焦碳高温反应制得，主要反应

。

②也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气等所含有的大量的碳氢化合物与水蒸汽在催化剂作用下制备。

以甲烷为例写出其主要反应

：

，

。

（四）工业合成氨

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

：

（3）使CO变成CO2

：

（4）用K2CO3吸收CO2

：

（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。

（五）工业合成氨工艺流程

（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。

【思考】合成氨是一个可逆反应，所以在生产中要把生成的氨及时从混合气体中分离出来，并且不断地向循环气中补充氮、氢气，这是为什么？

答案：这样能减小平衡状态下混合物中生成物的浓度，又能增大反应物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，以提高氨的产量．

（六）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。

课堂练习