第一单元氨的合成-选修IB

选修2化学与技术专题2从自然资源到化学品弗里茨.哈伯与合成氨德国以哈伯为首的一批化学家克服了当时的世界化学难题——以廉价的空气、水和煤炭合成了重要的化工原料:氨（NH3）

合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。[问题3]分析合成氨的反应特点，考虑合成氨适宜条件？N2(g)+3H2(g)2NH3(g)；△H=-92.4kJ·mol-1可逆反应、正反应为放热反应、正反应是缩体反应讨论：根据外界条件对化学反应速率的影响，说明要使合成氨的化学反应速率增大，应该采取哪些方法，并说明理由。讨论：根据外界条件对化学平衡的影响，说明要提高平衡混合物中NH3的含量，应该采取哪些方法，并说明理由？一、合成氨反应条件的选择综合分析：分别从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合成氨的适宜条件。高温高压使用高压低温无影响合成氨对压强的选择思考：工业上合成氨，是否压强越大越好？分析：压强过大1、对材料的强度和设备的制造要求也就越高；2、技术要求也就越高；降低综合经济效益结论：一般采用的压强：20MPa~50MPa合成氨对温度的选择结论：使用催化剂，温度控制在450℃左右压强一定，温度升高，虽能增大合成氨的速率，但会降低平衡混合物中NH3的含量。思考：如何使氨的合成在较低的温度下也能保持相对较大的反应速率？反应速率加快“铁触媒”在450℃左右时催化的能力最大降低反应所需的最小能量、使用催化剂、思考：在500℃和30MPa下，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，请问如何提高氨气的产量？措施：1、液化氨气，从平衡混合物中分离出来。2、循环利用原料气并不断补充N2和H2，使反应物保持一定浓度。合成氨的适宜条件采取循环操作：不断补充氮气和氢气并及时液化分离出氨，并将余下N2、H2送回合成塔，以提高原料的利用率。使用催化剂：铁触媒选择合适的温度：450℃左右选择合适的压强：20MPa-50MPa二、合成氨原料气制备[问题1]设计两种方法从空气中获得氮气？(1)物理方法：液化空气，再利用N2的沸点比O2低，蒸馏出N2----氮气的沸点低先汽化。(2)化学方法：将空气依次通过NaOH溶液、浓硫酸、灼热的铜网，除去CO2、水和O2，得到较纯净的N2。[问题2]写出工业上制取水煤气的化学方程式。现代工业常用石油工业中的碳氢化合物与水在催化剂作用下制取氢气和CO，试写出丙烷与水反应的化学反应方程式。C+H2OCO+H2CO+H2OCO2+H2CH4+H2O=CO+3H2C3H8+3H2O=3CO+7H2合成氨原料气的制备（1）氮气的得到空气压缩降温液态空气蒸发N2（O2后逸出）赤热的炭层CO2＋N2除去CO2N2（2）氢气的得到水蒸气赤热的炭层或碳氢化合物CO＋H2H2O（g）CO2＋H2催化剂除CO2H2C＋H2O＝CO＋H2高温CO＋H2O＝CO2＋H2高温催化剂三、合成氨的生产工艺考虑：为什么氮、氢混合气体送入合成塔前要进行压缩？达到一定压强既有利于反应速率又能保证其转化程度考虑：冷凝的作用是什么？合成氨工业有无尾气？[问题]对照氨合成塔说明原料气在合成塔中的流向，并说明热交换器的作用。把反应时生成的热，传递给需要预热的气体，并冷却反应生成的气体

[问题]工业上从上而下将催化剂分成四层，在层与层之间冷激气（冷的原料气）和反应气混合。这样设计的原因是什么？及时降低反应混合物的温度，提高反应物的浓度，提高氨气的产率。温度较低气体甲热气体乙热交换原理：一种流体在管道内流动，另一种流体在管道外流动。两种流体通过管壁进行热交换。冷的流体被加热；热的流体被冷却。冷气体乙合成氨的实地照片三、合成氨的生产工艺空气压缩降温液态空气蒸发N2（先逸出）炭CO2＋N2除去CO2N2H2O(g)赤热炭或其他燃料CO＋H2H2O(g)催化剂CO2＋H2除去CO2H2原料：空气、水、燃料C＋H2O(g)－→CO＋H2高温CO＋H2O(g)－－→CO2＋H2催化剂原料气的制备净化压缩(防止催化剂中毒)合成分离液氨N2、H2(循环操作)合成氨的生产工艺[问题]合成氨生产得到的氨可以直接用途肥料，也可用来生产硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵。试写出有关化学反应方程式。工业上用氨的催化氧化来制取硝酸，试写出有关化学反应方程式。NH3→NO→NO2→HNO3△催化剂4NH3+5O2==4NO+6H2O2NO+O2===2NO2

3NO2+H2O===2HNO3+NO硫酸工业硫酸生产发展简史1.一千多年前的波斯人用煅烧绿矾（FeSO4.7H2O)方法制硫酸当时的人称之为“矾油”反应过程可以表示为：

煅烧

2（FeSO4.7H2O)==Fe2O3+SO2+SO3+14H2O

2.1740年英国人在陶器中加热硫磺和硝酸的混合物制硫酸后来在此基础上发展起来的各种方法都叫做硝化法。反应过程可以表示为：

NO2

+SO2==NO+SO3

SO3+H2O==H2SO4

3.1831年英国人又发明了接触法。目前，硫酸有80%以上都是用这种方法生产。

4.我国在1867年上海建成第一座硫酸厂。到1949年产仅4万吨，而到1984年时我国的硫酸产量就已达到817.16万吨。一、工业制硫酸的理论分析接触法制硫酸的反应原理是:用硫磺或黄铁矿、石膏、有色金属冶炼厂的含二氧化硫烟气等作原料制取二氧化硫，使二氧化硫在适当的温度和催化剂的作用下氧化成三氧化硫，再使三氧化硫跟水化合生成硫酸。说明：1.选择制取要硫酸的原料从实际出发,世界上主要用硫磺作原料,而我国主要用黄铁矿作原料.2.SO2跟氧气是在催化剂的表面接触时起反应的,接触法的名称即由此而得.FeS2H2SO4SO3SO2

1、造气

2、接触氧化

3、三氧化硫的吸收接触法制硫酸的工业流程1：造气考虑1：为什么要将黄铁矿粉碎成细小矿粒？4FeS2+11O2===2Fe2O3+8SO2高温粉碎的黄铁矿鼓入强大空气流沸腾炉二、工业流程分析考虑2：从沸腾炉中出来的气体叫做炉气。试分析黄铁矿燃烧后炉气中含有哪些物质？SO2、O2、N2、水蒸气以及一些杂质，如As、Se等的化合物和矿尘等等。洗涤干燥除尘SO2、O2、N2容易使催化剂中毒腐蚀设备，影响生产2SO2+O22SO3；△H=-196.6kJ/mol讨论：根据反应速率和化学平衡理论,考虑综合经济效益，你认为采取哪些措施(催化剂、浓度、温度、压强)可以提高SO2的利用率?浓度：增大廉价原料的用量以增大O2的浓度，可以提高SO2的利用率，从而降低生产成本。温度：从平衡角度看，此反应在较低温度下进行最为有利，但温度低时催化剂活性不高，反应速率低，从综合经济效益考虑，对生产不利。故在实际生产中，选定450℃左右。压强：考虑到加压对设备的要求高，投资大和能耗大，且常压下400℃-500℃时，SO2的转化率已经很高，从综合经济效益考虑，在实际生产中，通常采用常压操作。并不加压。V2O5接触法制硫酸的工业流程2：接触氧化二、工业流程分析接触室热交换器催化剂考虑：SO2的接触氧化需在450℃条件下进行：①反应前要把低温的炉气预热到这个温度？②该反应放热，环境温度会升高，不利于SO3生成？沸腾炉接触室沸腾炉SO2、N2、O2；

<600C5000C8500CSO3、SO2、N2、O22SO2+O22SO3；△H=-196.6KJ/mol催化剂接触法制硫酸的工业流程3：三氧化硫的吸收SO3(g)+H2O(l)=H2SO4(l);△H＝－130.3kJ/mol考虑：为什么不用水或稀硫酸来吸收三氧化硫？常用98.3%的硫酸作吸收剂！！！三氧化硫如用水或稀硫酸作吸收剂时，易形成酸雾，吸收速度减慢，不利于三氧化硫的吸收。二、工业流程分析吸收塔98.3%H2SO4尾气逆流吸收：(SO3从塔的下部通入,98.3%的硫酸从塔顶喷下):增大SO3和H2SO4的接触面积,强化吸收过程.SO3、SO2、N2、O2浓硫酸考虑：吸收过程在吸收塔中进行。采取何种方式可以保证SO3被98.3%的浓硫酸完全吸收？考虑：尾气的组成：SO2

、O2、N2.由于含有二氧化硫，如直接排入大气，会造成污染；同时也会造成原料的浪费。如何处理尾气？氨水法：NH3·H2O2NH3·H2O+SO2===(NH4)2SO3+H2ONH3·H2O+SO2===NH4HSO3一、将尾气再次通入到接触室，进行再次氧化，吸收；二、将再次氧化吸收后的尾气进行回收处理；(NH4)2SO3+H2SO4==(NH4)2SO4+SO2↑+H2O黄铁矿空气流矿渣SO2、O2、N2、水蒸气以及一些杂质冷的SO2、O2、N2热的SO2、O2、N2SO3、SO2、O2、N2SO2、O2、N298.3%硫酸炉具体内容三原料三反应三设备三原理三净化硫酸工业制法的五个“三”SO3＋H2OH2SO4

V2O5400~500℃2SO2＋O2

SO3高温4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2；黄铁矿、空气、98.3%浓H2SO4沸腾炉、接触室、吸收塔充分接触原理、热交换原理、逆流吸收原理除尘、洗涤、干燥FeS2-------------------2H2SO4120g196gx×65%×(1-1.8%)×99%t2t×98%t∴x=189.9tS--------------------------H2SO4

32g98gx×65%×(64/120)×(1-1.8%)×99%2t×98%∴x=189.9t解法1：关系法—先写出多步反应的化学方程式，然后找出已知物和未知物之间的量的关系，列出关系式。解法2：元素守恒法--根据物质之间所含关键元素原子个数关系，建立关系式。例、含FeS265%的黄铁矿在煅烧时有1.8%的硫受到损失，SO2转化为SO3的利用率为99%。由这种黄铁矿制2t98%的硫酸，需黄铁矿多少吨？三、硫酸工业的三废处理化工生产必须保护环境，严格治理“三废”，并尽可能把“三废”变为有用的副产品，实现原料的综合利用。例如：硫酸生产中产生的“三废”(废气、废水、废渣)处理1、尾气吸收：尾气中少量的SO2用氨水吸收SO2+2NH3+H2O==(NH4)2SO3(NH4)2SO3+H2SO4==(NH4)2SO4+SO2↑+H2O(作肥料）(生产硫酸的原料）

2、污水处理：

Ca(OH)2+H2SO4==CaSO4+2H2O

3、废渣的利用：黄铁矿矿渣一般可作为制造水泥的原料或用于制砖，含铁品位高（>45%）的矿渣，经处理后可以炼铁、制造硫酸铁、氧化铁红颜料等产品。可用石灰乳中和处理废水中主要含有少量硫酸、氟化物、铁离子、铅离子等。形成的氢氧化铁絮状沉淀可吸收重金属离子。四、硫酸工厂厂址选择（一）生产规模：现代化工生产应有较大生产规模。（二）厂址选择原则：4、是否接近原料供应地2、土地供应是否充足5、水源是否充足6、能源是否充足且价廉3、交通运输是否方便1、是否有市场需求7、能否达到环境保护要求等诸多因素①硫酸是腐蚀性液体，不便贮存和运输，需要随产随销；②硫酸的运输费比较高，因此要求把硫酸厂建在靠近硫酸消费中心的地区。③工厂规模的大小，主要由硫酸用量的多少来决定。④硫酸厂对环