高中化学选修化学与技术氨氧化法制硝酸教学设计

高中化学选修化学与技术

1.1氨氧化法制硝酸教学设计

教学目标

■课标要求

1.了解我国基本化工的生产资源、基本化工产品的主要种类和发展状况。

2.认识催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义。

・课标解读

1.了解氨氧化法制硝酸的工艺流程。

2.明确氨催化氧化制硝酸的原理。

3.掌握在实验室中制备硝酸的方法和操作。

•教学地位

硝酸是化工生产中的重要原料，氨氧化法制硝酸的模拟实验流程及操作方法

是高考的高频考点，尤其是氮的循环对生活、生产的影响为高考的热点。

教学设计

・新课导入建议

1908年，德国化学家哈伯首先在实验室用氢气和氮气在600℃、200个大

气压的条件下合成了氨。后由布什提高了产率，完成了工业化设计，建立了年产

1000吨氨的生产装置，1000吨氨气利用氨氧化法可生产3000吨硝酸，利用

这些硝酸可制造3500吨烈性TNTo这些烈性TNT支持了德国发动了坚持四个多

年头的第一次世界大战。你知道工业上是如何制备硝酸的吗？

•教学流程设计

课前预习安排：看教材P12—16,填写［课前自主导学］,并完成［思考交流］。今

步骤1：导入新课，本课时教学地位分析。炒骤2：建议对［思考交流］多提问，

反馈学生预习效果。等骤3：师生互动完成探究1,可利用［问题导思］作为主线。

步骤7：通过［例2］讲解研析，对''探究2、尾气的净化处理〃中注意的问题进行

总结。仁步骤6：师生互动完成''探究2"。仁步骤5：指导学生自主完成［变式训

练1］和［当堂双基达标口〜4题。仁步骤4：通过［例1］的讲解研析，对''探究1、

硝酸的工业制法”中注意的问题进行总结。步骤8：指导学生自主完成［变式训练

2］和［当堂双基达标］中的第5题。炒骤9：引导学生自主总结本课时知识框架,

然后对照［课堂小结］。安排学生课下完成［课后知能检测］。

课标解读重点难点

1.理解氨氧化法制硝酸的反应原理，

并能利用反应原理说明如何制得一

1.氨氧化法制硝酸的反应方程式。

氧化氮和选择吸收二氧化氮的条件。

（重点）

2.了解氨氧化法制硝酸过程中的尾

2.硝酸生产过程中NO的获得和N02

气对环境的危害及其处理方法，树立

的吸收。（重难点）

环保意识。

3.氨氧化法制硝酸模拟实验流程及

3.进一步认识催化剂在化工生产中

操作方法。（难点）

的重要作用，体会实验室研究与工业

生产的关系。

课前导学

氨氧化法制硝酸

0202H20

1.制备流程：NH3——>N0——>NOg——>HN03O

2.反应原理：

催化剂

4NH3+5024N0+6H2。、2N0+02=2N02>3N02+H20=2HN03+N0o

高温

思考交流

1.氨氧化法制硝酸过程中，发生氧化反应的含氮物质有哪些？

【提示】NH”NO.NO,中氮元素化合价升高，均发生氧化反应。

氨氧化法制硝酸的模拟实验

氨氧化法制硝酸的模拟实验

A.氨水(浓氨水：水=1.5：1)B.催化剂(CoOj

C.干燥剂(无水氯化钙)D.氧化瓶

E.吸收瓶(水、石蕊溶液)F.NaOH

1.操作：先加热硬质试管中的催化剂,再把空气缓缓地、均匀地鼓入氨水

中，待催化剂开始红热时,撤走酒精灯。

2.思考

(1)氧化瓶D中的现象：瓶内变成红棕色。

(2)写出E中发生的化学反应方程式：

3N02+H20=2HN03+N0O

(3)F的作用是吸收未反应的NO、NO?气体。

思考交流

2.试通过模拟实验分析氨氧化反应的热效应。

【提示】待催化剂红热时，撤走酒精灯，利用反应释放的热量维持反应的继续进

行，说明氨氧化反应为放热反应。

硝酸的工业制取

1.如何获得一氧化氮

氨气与反应可生成多种不同的产物，如刈、若不控制反应

(1)N2O,N2,

条件，只会生成氮气。

(2)科学家通过研究，找到了选择NO并加快反应速率的催化剂，主要包括

柏系催化剂和非任系催化剂两类。

2.选择吸收二氧化氮的条件

(1)吸收NO?的反应为：3N02+H20=2HN03+N0O

(2)吸收NO,反应的特点：①可逆反应；②放热反应；③气体总体积缩小的

反应。

(3)吸收N0?的方法：欲使原料利用充分，得到的硝酸的浓度增大，可采取

加压、降温的方法,现代硝酸生产改用全压法和综合法,成品酸中HNOs的质量

分数可达60%〜70%,提高了NO?的吸收率。

3.常压法生产硝酸尾气的处理

(1)碱液吸收法：2N0z+Na2c03=NaN03+NaN02+C0z。

(2)催化还原法：如用乩、CH,等在催化剂作用下与氮的氧化物反应。

思考交流

3.温度和压强对气体的溶解性产生哪些影响？

【提示】温度越高，气体的溶解性越差，反之越强；压强越大，气体的溶解性越

强，反之越差。

课堂互动

【问题导思】

硝酸的工业制法

①工业制硝酸的原料是什么？

【提示】氨气和空气。

②如何获得一氧化氮？

Pt

【提示】4NH3+502^=4N0+6H,00

高温

③吸收NO?的方法是什么?

【提示】全压法和综合法。

1.工业制硝酸的原料：ML和空气。

0202H20

2.反应流程：NH3——>N0——>N02——>HN03O

3.反应设备：氧化炉、吸收塔、蒸储塔。

4.工艺流程

甲--------1申军哪g(琳剂)

她血——也豳―......

HNO?

5.相关反应

催化剂

4NH3+5024N0+6H20

高温

2N0+02=2N02

3N02+H20=2HN03+N0

温馨提醒

1.Mg(NO.,)2具有脱水作用，可用于提高HN03的质量分数。

2.在工业制HN03过程中，注意勒•夏特列原理的应用。

例1.把烧红了的伯丝插入盛有浓氨水的锥形瓶中，可观察到下列现象：①液面

上的伯丝保持红热；②瓶内有红棕色气体产生；③有时瓶口有白烟出现。请用必

要的文字和有关化学反应方程式解释上述现象。

【解析】氨与氧气在有催化剂存在时可以发生氧化还原反应，反应方程式为4NH3

催化剂

+5024N0+6H。反应是放热的，因此可观察到烧红的伯丝保持红热状态。

高温

生成的NO容易与02继续反应生成红棕色的NO?气体：2N0+02=2N02ONO2气体遇

水蒸气则发生反应3NO2+H2O=2HNO3+NO,生成的HNO3是挥发性酸，可与氨水挥

发出的NHs化合产生白烟NH4N03,反应方程式为NH3+HN03=NH4N03O

【答案】氨水易挥发，瓶内充满NL和的混合气体，当红热的伯丝插入时，由

催化齐U

于发生下列反应：4NH3+5O24N0+6H2。而放出大量的热，致使伯丝保持红

高温

热。生成的NO可继续和反应生成红棕色的NO2,反应方程式为2NO+O2=2NO2,

而NO?能与水蒸气反应：3NO2+H2O=2HNC)3+NO,生成的挥发性酸HNO3遇NH3则产

生白烟NH4N03,化学反应方程式为NH3+HN03=NH4N03O

易错警钟

NH3遇HN03产生白烟（固体颗粒），易误写为白雾（液体小液滴）。

变式训练

1.工业上用氨的催化氧化法制HNOs时，先制得50%左右的硝酸，然后再制

成98强的浓HN03,一般采用的方法是（）

A.加CaCL后再蒸储浓缩

B.加生石灰吸去水分后再过滤

C.加硝酸镁后再蒸储浓缩

D.加入浓HAO」后再分液

【解析】以硝酸镁做脱水剂，将浓硝酸镁溶液与稀硝酸按一定比例混合进行蒸储。

由于硝酸镁具有脱水作用，因此可蒸出HNOs含量较高的硝酸蒸气。将硝酸蒸气

再进行精储，即可得到HN0,的质量分数为98%以上的硝酸蒸气，冷凝即得浓硝酸。

【答案】C

【问题导思】尾气的净化和处理

①硝酸工业中尾气的有害成分是什么？

【提示】NO、NO,等含氮氧化物。

②处理硝酸工业尾气常用什么方法？

【提示】碱液吸收法和催化还原法。

③处理硝酸工业尾气常用的原料是什么？

【提示】纯碱溶液或甲烷、氢气等。

1.碱液吸收法

2N02+Na2C03=NaN02+NaN03+C02,N0+N02+Na2C03=2NaN02+C02

利用碳酸钠溶液吸收氮的氧化物比较经济，但处理后的尾气中氮的氧化物的

含量仍难以达到排放标准，人们又采用催化还原法净化尾气。

2.催化还原法

H2+NO2=NO+H2O

2H2+2N0=N2+2H20

CH4+4N02=4N0+C02+2H20

CH4+4N0=2N2+C02+2H20

在催化剂存在的条件下，利用各种燃料气中的甲烷、氢气等将氮的氧化物还

原为氮气和水，使尾气中氮的氧化物的含量降低，达到甚至低于排放标准。

例2.在硝酸生产过程所排放出来的废气中含有NO和N02,它们污染环境,

现用氨催化还原法将它们转化为无毒气体（填名称）____________直接排入空气

中，写出有关反应的化学方程式。

假设NO和N0?的物质的量之比恰好为1：1,则两者的混合物相当于一种酸

酎，写出用烧碱溶液吸收这种酸酎的化学方程式

【解析】硝酸的酸酎是N2O5,和NaOH反应生成NaNOs,亚硝酸的酸酎是N2O3,和

NaOH反应生成NaN02o

催化齐U

【答案】氮气6N0+4NH351+6压0、6N02+8NH3=7N2+12H20N203+

△

2Na0H=2NaN02+H20

变式训练

2.汽车尾气中的煌类、CO、NO,和SO?是城市空气的重要污染源，治理方法

之一是在汽车排气管上加装“催化转化器”，它使CO和NO,反应可生成参与大

气循环的无毒气体，并使燃类充分燃烧及S02转化，下列说法错误的是（）

催化剂

A.CO和NO.,反应的化学方程式为：2AC0+2N0.,2筑02+岫

B.此方法的缺点是由于SOs增多，会提高空气的酸度

C.多植树造林，增大绿化面积，可有效控制城市空气的各种污染源

D.汽车改用天然气、液化气燃料或开发新能源，都会减少对空气的污染

【解析】由CO、NO,反应生成参与大气循环的无毒气体及原子守恒得出，A正确;

由SO?的转化（在空气中）知道应生成SO3,SO3结合空气中的水蒸气生成硫酸酸雾,

提高了空气的酸度，B正确；植树造林能净化空气但不能控制污染源，C错误；

天然气、液化气是洁净燃料，D正确。

【答案】c

【教师备课资源】

玻尔巧藏诺贝尔金质奖章

第二次世界大战中，玻尔被迫离开将要被德国占领的祖国。他将诺贝尔金质

奖章溶解在一种溶液里，装于玻璃瓶中。后来，纳粹分子窜进玻尔的住宅，那瓶

溶有奖章的溶液就在眼皮底下，他们却一无所知。那么，玻尔是用什么溶液使金

质奖章溶解的呢？他用的溶液叫王水，是浓硝酸和浓盐酸按1：3的体积比配制

成的混合溶液。王水的氧化能力比硝酸强，不溶于硝酸的金，却可以溶解在王水

中。

例.氮是蛋白质的基本组成元素之一，所以生物体均含氮元素，氮循环涉及生物

圈的全部领域，以下关于氮被生物体吸收的途径叙述正确的是（）

①氮在大气中含量高达78%,可被生物体直接利用

②通过雷雨放电等一系列反应可将空气中游离态的氮转化为硝酸盐，而被植

物吸收

③所有植物都具有生物固氮作用，其根部根瘤菌可使氮气转变为硝酸盐，而

被植物吸收

④动物以植物为食而获得氮并转化为动物蛋白

⑤动物死亡后，其遗骸中的蛋白质被微生物分解成NH：、NOT、NH3,又回到

土壤和水体中，被植物再次吸收

A.①⑤B.④⑤

C.②④⑤D.③④

【答案】C

1.工业制HNC）3的3个反应：

催化剂

4NH3+5024N0+6H20

高温

2N0+02=2N02

3N02+H20=2HN03+N0

2.处理硝酸工业尾气的2种方法:

（1）碱液吸收法；（2）催化还原法。

当堂达标

1.下列过程：①豆科植物根瘤菌将1转化为氮肥；②雷雨时雨水中存在一

定量硝酸;③工业上将N合成氨;④用氨氧化法制硝酸，其中属于固氮的是（）

A.①②③B.②③④

C.①③④D.①②③④

【解析】将游离态的氮转变成含氮化合物的过程叫固氮。

【答案】A

2.硝酸工业中，不涉及的反应是（）

催化剂

A.4NH3+5024N0+6H20

高温

B.3N02+H20=2HN03+N0

C.NH3+HNO3=NH4NO3

D.2N02+Na2CO3=NaNO2+NaNO3+C02

【解析】工业制硝酸过程中，涉及A、B两项反应；尾气处理过程中涉及D反应。

【答案】C

3.下列有关氨氧化法制硝酸的说法不正确的是（）

A.氨氧化法制硝酸关键的一步是寻找催化剂使NH,转化为NO的产率增大

B.由3NO2+H2O=2HNO3+NO可知整个生产过程中，从理论上说消耗1molNL

2

仅生成司molHNO3

C.全压法吸收NO?比常压吸收N02得到的HN03溶液的浓度大

D.工业上用Mg（N（X）2做脱水剂由60%〜70%的HN03溶液获得95%〜100%的浓

硝酸

【解析】由于NL与Oz反应生成NO、N?、NO的速率均很大，工业上就采用催化

剂，利用它的选择性，增大NH,生成N0的速率，来提高N0的产率。分析整个过

程，从理论上说，由于充入了过量的使得反应循环进行，1molNH3能生成