2017-2018学年高中化学 主题1 空气资源 氨的合成 课题2 氨的工业合成学案 鲁科版选修2

1、课题2氨的工业合成1认识合成氨的反应原理和特点，并能依据化学反应速率和化学平衡原理综合考虑合成氨生产中的相关因素，选择合成氨反应的最佳条件。(重点)2知道获得大量廉价的氢气是实现合成氨生产的关键问题，知道合成氨工业原料氮气和氢气获得的途径和方法，能够写出相应的化学方程式。(重点)3能根据合成氨反应的特点分析氮气和氢气不能完全转化的原因，知道循环法使未转化的氮气和氢气得到利用的原理和方法。(重难点)4知道选择适宜的反应条件、确定原料路线、解决未转化完全的原料气的利用是合成氨生产中的主要技术问题。探索合成氨的最佳条件1.合成氨反应的化学方程式：N23H22NH3。2合成氨反应的特点(1)可逆反应；

2、(2)放热反应；(3)气体总体积缩小的反应。3合成氨最佳条件的选择(1)理论分析从化学反应速率的角度看，升温、加压以及使用催化剂都可以使合成氨的化学反应速率增大。从化学平衡的角度看，平衡混合气中氨的含量随着温度的升高而降低，随压强的增大而提高。这说明温度、压强对这一反应的化学平衡有影响：降温、增压有利于氨的合成。(2)实际生产中的最佳条件合成氨一般选择以铁触媒为催化剂，压强在2050_MPa之间，温度在500_左右。1合成氨反应为放热反应，在低温下有利于氨的合成，为什么实际上选用了500 C的高温？【提示】目前，合成氨工业中普遍使用的主要是以铁为主体的多组分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500

3、C左右时的活性最大，这也是合成氨反应一般选择在500 C左右进行的重要原因之一。如何获得大量廉价的原料气1.获得氮气的方法：分离空气。2获得氢气的方法方法反应原理电解水法2H2O2H2O2煤或焦炭法CH2O(g)COH2天然气或重油法CH4H2OCO3H2 COH2OCO2H22评价上述几种制氢方法，你认为哪种方法是最佳选择？【提示】电解水制氢气，电能消耗大，成本高；天然气与煤相比较，天然气输送方便、投资省、能耗低。所以用天然气做合成氨的原料为最佳选择。怎样利用未转化的氮气和氢气在实际生产中采用了循环法，先通过冷凝把氨从合成塔出来的混合气中分离出来，余下未反应的氮气和氢气的混合气用循环压缩机重

4、新送入合成塔进行反应，同时不断地补充新鲜的原料气，这样氨的合成就形成了一个循环流程，使氮气和氢气得到充分利用。合成氨条件的选择【问题导思】合成氨工业生产的要求是什么？【提示】a反应有较大的反应速率；b.最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。影响化学平衡移动的外界因素有哪些？【提示】温度、浓度、压强。合成氨实际生产中采用高温、高压、催化剂，其中有利于提高平衡混合物中NH3的百分含量的因素有哪些？【提示】高温不利于平衡正向移动；催化剂对化学平衡无影响；高压利于平衡正向移动，能提高平衡混合物中NH3的百分含量。1合成氨生产的要求合成氨工业要求：反应要有较大的反应速率；要最大限度地提高平衡混合物中N

5、H3的含量。2合成氨条件的选择依据运用化学反应速率和化学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。3合成氨条件的理论分析(1)浓度：因为增大反应物浓度，能提高反应速率和使平衡正向移动，故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率。因此生产中常适当增加N2的比例。(2)压强：无论从反应速率还是化学平衡考虑，压强越大越有利于合成氨。但压强太大，动力消耗大，设备的质量和制造水平要求高，故必须综合考虑。目前我国合成氨厂一般采用的压强在2050 MPa之间。(3)温度：对于放热反应，升温可提高反应速率，但转化率降低，若温度太低，反应速率

6、又太慢，综合考虑以500 左右为宜。而且在此温度下催化剂活性最大。(4)催化剂：加快反应速率但不影响平衡，可以提高单位时间内氨的产量。目前工业上多采用以铁为主的催化剂。为了提高合成氨生产的综合经济效益，还有三点是不可忽视的：使原料气中n(N2)n(H2)13；将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后送入合成塔再次利用；及时将NH3从平衡混合物中分离出来。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()减压加压升温降温及时从平衡混合气中分离出NH3补充N2或H2加催化剂减小N2或H2的量ABCD【解析】合成氨反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0的特点为：可逆、放热

7、、气体分子总数减小。加压、升温、增加N2或H2浓度，使用催化剂均能加快反应速率；加压、降温、及时分离出NH3、增加c(N2)和c(H2)均有利于平衡正向移动，增大氨的产率。【答案】C改变外界条件加快反应速率时，不一定使化学平衡正向移动；改变外界条件使化学平衡正向移动时，化学反应速率不一定加快。1下列有关合成氨工业的说法中，正确的是()A从合成塔出来的混合气体中，氨气占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低B由于氨易液化，N2和H2在实际生产中循环使用，所以总体来说，氨的产率很高C合成氨工业的反应温度控制在500 ，目的是使化学平衡向正反应方向移动D我国合成氨厂采用的压强是2050 MPa，因为该

8、压强下铁触媒的活性最大【解析】虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%，但由于原料气N2和H2循环使用和不断分离出液氨，所以生产NH3的效率还是很高的，因此A项不正确；控制反应温度为500 ，一是为了使反应速率不至于很低，二是为了使催化剂活性最大，因此C项不正确；增大压强有利于NH3的合成，但压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，我国的合成氨厂一般采用2050 MPa，但这并不是因为该压强下铁触媒的活性最大，因此D项不正确。【答案】B合成氨的生产工艺及原料气的制备【问题导思】合成氨生产中需要的原料气是什么？【提示】氮气和氢气。如何获得合成氨原料气？【提示】获得N2的方

9、法：来自空气，分离方法有深冷分离、变压吸附分离、分离膜分离。获得H2的方法：电解水、由煤或焦炭制H2、由天然气或重油制H2。如何能提高合成氨工业中原料气的利用率？【提示】使平衡正向移动：加压、不断分离出NH3、将N2、H2循环利用。1工艺流程2氮气的制备(1)物理方法：将空气用深冷分离、变压吸附分离或膜分离制得N2和O2。(2)工业上所采用的化学方法：用煤在空气中燃烧，除去O2，吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后，得到N2。3氢气的制造合成氨原料来源的关键是如何获得大量廉价的氢气。原料制备路线的选择，应综合考虑资源、工艺、能耗、成本、环境等重要因素。由电解水制氢气，电能消耗大，成本高

10、，不适于制取大量的氢气。下图是工业合成氨及与之相关的工艺流程图。仔细阅读、分析上述框图，并解答下列问题：(1)写出、的操作方法：_、_。(2)写出A、B两个化学方程式：A_、B_。(3)、的气体成分相同吗？_。(4)节能降耗势在必行，也是工业发展的命脉。就上述工艺流程框图，指出该框图中的一条符合节能降耗宗旨的措施：_。【解析】(1)工业合成氨的氮气原料来自于空气，传统的空气分离方法是降温、加压而液化，然后升温精馏分离，这种方法叫深冷分离，现在工业上也常采用膜分离技术。(2)合成氨的氢气多来自石油、天然气，目前也多采用煤的综合利用，如煤的液化操作；工业合成氨采用的条件是高温、高压和催化剂。(3)

11、进入热交换器的是温度较高的氨气、氮气和氢气混合气体，而从其中出来的仍然是这些气体，不同的是温度降低了。(4)工业生产往往采用循环利用原料、热量，采用废物利用来提高经济效益，从而达到节能降耗的目的。【答案】(1)液化(或答“深冷分离”、“膜分离”都可以)冷凝(2)CH2O(g)COH2或CH4H2O(g)CO3H2或CH42H2O(g)CO24H2(写出其中任何一个即可)3H2N22NH3(3)相同(4)液化分离液氨后的氮气和氢气循环利用(或“热的氨气、氢气和氮气混合气体与冷的氮气、氢气混合气体进行热交换”)2下面是合成氨的简要流程示意图： 【导学号：】沿X路线回去的物质是()AN2和H2B催化

12、剂CNH3DH2【答案】A1熟记合成氨反应的1个化学方程式：N23H22NH3。2明确合成氨反应的3个特点：(1)可逆反应；(2)放热反应；(3)气体总体积减小的反应。3知道合成氨2种原料气的获得方法：氮气分离空气；氢气煤或焦炭法、天然气或重油法。4理解工业合成氨的3个条件。(1)500 ；(2)2050 MPa；(3)铁触媒作催化剂。1在合成氨反应N23H22NH3中，在下列情况下，不能使化学反应速率增大的是()A加入氮气B加入合适的催化剂C减小压强，扩大容器体积D适当升高温度【解析】加快反应速率的外界条件有：升高温度、增大压强(有气体参加的反应)、增大反应物浓度、使用催化剂等。【答案】C2

13、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() 【导学号：】A使用铁触媒，将N2和H2混合有利于合成氨B高压比常压条件更有利于合成氨C450 左右比室温更有利于合成氨D合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率【解析】勒夏特列原理运用范围，就是能使已平衡的可逆反应发生平衡移动的一些因素。选项A中催化剂不能使平衡移动；选项B中加压可使合成氨反应正向移动；选项C中高温不利于合成氨，只能加快反应速率，另外，450 左右铁触媒活性最大；选项D中，循环使用，不涉及平衡移动问题。【答案】B31908年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是

14、哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是()ABCD【解析】合成氨反应为气体分子总数减少的放热反应，操作是为了除去杂质，防止催化剂中毒；增大压强，有利于该反应向右进行，能够提高转化率；催化剂只能加快反应速率，不影响化学平衡，故不能提高转化率；将产物NH3液化分离和循环操作，均能使原料更充分地利用，提高原料的转化率。【答案】B4对于可逆反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0，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【解析】本题往往错选C、D，原因是对升高温度可以使平衡向吸热反应方向移动的原因认识不清；对