2018高中化學(xué) 第一單元 走進(jìn)化學(xué)工業(yè) 1.2 人工固氮技術(shù)——合成氨課件 新人教版選修2.ppt

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課題2人工固氮技術(shù) 合成氨 1 能記住工業(yè)合成氨的基本原理 基本生產(chǎn)過程以及合成氨工業(yè)的發(fā)展 2 能記住工業(yè)獲得合成氨的大量廉價(jià)原料氣的方法 能說出合成氨原料氣循環(huán)利用的原理和重要意義 3 能說出工業(yè)合成氨與環(huán)境的關(guān)系 一 二 三 一 合成氨的反應(yīng)原理1 反應(yīng)的化學(xué)方程式工業(yè)合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式 N2 3H22NH3 2 反應(yīng)的特點(diǎn) 1 可逆反應(yīng) 2 放熱反應(yīng) 3 氣體分子總數(shù)減小的反應(yīng) 3 適宜化工生產(chǎn)條件的選擇溫度 400 500 壓強(qiáng) 10 30MPa 催化劑 以鐵為主的催化劑 一 二 三 合成氨反應(yīng)中催化劑的主要作用是什么 合成氨方案的主要優(yōu)點(diǎn)是什么 提示 催化劑的主要作用是提高反應(yīng)速率 合成氨方案的主要優(yōu)點(diǎn) 反應(yīng)物較易獲得 通過改變反應(yīng)條件可以提高氨的產(chǎn)率 一 二 三 二 合成氨的基本生產(chǎn)過程主要包括三個(gè)步驟 造氣 凈化 合成 1 制備合成氨的原料氣 1 制備氮?dú)?方法一 將空氣液化后蒸發(fā)分離出氧氣而獲得氮?dú)?方法二 將空氣中的氧氣與碳作用生成二氧化碳 再除去二氧化碳得到氮?dú)?2 制備氫氣 一 二 三 2 原料氣的凈化 1 除去H2S 用氨水 的化學(xué)方程式為 3 精制原料氣 用醋酸 銅和氨配制成的溶液來吸收CO CO2 O2 H2S等少量氣體 為什么對(duì)原料氣進(jìn)行凈化 提示合成氨需要純凈的氮?dú)夂蜌錃?在制取原料氣的過程中 ?；煊幸恍╇s質(zhì) 其中的某些雜質(zhì)會(huì)使合成氨所用的催化劑中毒而失去催化作用 一 二 三 3 氨的合成與分離 1 氨的合成 凈化后的原料氣進(jìn)入氨合成塔 在高溫 高壓和催化劑作用下合成氨 2 氨的分離 從合成塔出來的混合氣體通過冷凝器使氨液化 從而將氨分離出來 合成塔出來的混合氣體中約含15 體積分?jǐn)?shù) 的氨 分離出氨后為什么要進(jìn)行循環(huán)操作 提示 合成氨反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低 從合成塔出來的混合氣體中氮?dú)夂蜌錃獾暮枯^大 循環(huán)操作的主要目的是充分利用原料 降低成本 循環(huán)操作利于實(shí)現(xiàn)全封閉 連續(xù)化生產(chǎn) 利于減少工序 控制廢物的排放 一 二 三 三 合成氨工業(yè)的發(fā)展1 原料及原料氣的凈化2 催化劑的改進(jìn)3 環(huán)境保護(hù)廢渣 用作建材和肥料的原料 廢氣 主要是H2S和CO2等氣體 可用直接氧化法 循環(huán)法處理H2S 研究將CO2作為尿素和碳銨生產(chǎn)原料的途徑 廢液 主要是含氰化物和含氨的污水 一 二 三 一 合成氨條件的選擇1 合成氨反應(yīng)的特點(diǎn) H T S 46 1kJ mol 1 298K 99 5 10 3kJ K 1 mol 1 16 45kJ mol 1 0常溫下 合成氨反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行 所以合成氨的反應(yīng)特點(diǎn) 所有的反應(yīng)物和生成物都是氣態(tài) 且該反應(yīng)為可逆反應(yīng) 氣體物質(zhì)的量減少的熵減反應(yīng) 該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng) 一 二 三 2 合成氨工業(yè)要求 1 反應(yīng)要有較大的反應(yīng)速率 2 要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量 3 工業(yè)合成氨最佳條件的選擇任何化工生產(chǎn)適宜條件的選擇都要從兩個(gè)方面考慮 理論和實(shí)際 一 二 三 一 二 三 綜上可知 要使合成氨的化學(xué)反應(yīng)具有理想的反應(yīng)速率和反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率 應(yīng)掌握合成氨化學(xué)反應(yīng)本身的特點(diǎn) 運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理 同時(shí)考慮合成氨生產(chǎn)中的動(dòng)力 材料 設(shè)備等因素 綜合確定合成氨的條件 當(dāng)前 從所用催化劑的活性對(duì)溫度的要求 工業(yè)生產(chǎn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的速率與限度的要求 制作生產(chǎn)設(shè)備的材料性能和技術(shù)水平 追求生產(chǎn)投入與產(chǎn)品的最大正效益等實(shí)際情況來看 400 500 的溫度 10 30MPa的壓強(qiáng)和鐵觸媒的組合是合成氨的最佳條件 特別提醒為了提高合成氨生產(chǎn)的綜合經(jīng)濟(jì)效益 還有三點(diǎn)是不可忽視的 使原料氣中n N2 n H2 1 3 將從反應(yīng)混合物中分離出來的氮?dú)夂蜌錃庵匦聣嚎s后輸入合成塔再次利用 及時(shí)將NH3從平衡混合物中分離出來 一 二 三 二 合成氨的生產(chǎn)工藝1 關(guān)鍵設(shè)備合成塔 2 工藝流程 一 二 三 三 合成氨原料氣的制備1 氮?dú)獾闹苽?1 物理方法 將空氣液化 蒸發(fā)分離出N2 由于相對(duì)分子質(zhì)量越大 分子間作用力越大 空氣中所含氣體的沸點(diǎn)N2 O2 CO2 因此 高壓下將空氣液化后 經(jīng)減壓蒸發(fā) 最先得到的是N2 然后還可以得到O2等 此法是目前工業(yè)上制取N2和O2的主要方法 2 工業(yè)上所采用的化學(xué)方法 用煤在空氣中燃燒 除去O2 吸收CO2 如用氨水吸收制NH4HCO3 后 得到N2 一 二 三 2 氫氣的制造合成氨原料來源的關(guān)鍵是如何獲得大量廉價(jià)的氫氣 特別提醒原料制備路線的選擇 應(yīng)綜合考慮資源 工藝 能耗 成本 環(huán)境等重要因素 由電解水制氫氣 電能消耗大 成本高 不適于制取大量的氫氣 知識(shí)點(diǎn)1 知識(shí)點(diǎn)2 合成氨適宜條件的分析 例題1 下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述 可用勒夏特列原理來解釋的是 A 使用鐵觸媒 有利于合成氨B 高壓比常壓條件更有利于合成氨的反應(yīng)C 500 左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)D 合成氨時(shí)采用循環(huán)操作 可提高原料的利用率解析 選項(xiàng)A中催化劑不能使平衡移動(dòng) 選項(xiàng)B中加壓可使合成氨反應(yīng)正向移動(dòng) 選項(xiàng)C中高溫不利于合成氨 只能加快反應(yīng)速率 另外 500 左右鐵觸媒活性較高 選項(xiàng)D中 循環(huán)操作 不涉及平衡移動(dòng)問題 答案 B 知識(shí)點(diǎn)1 知識(shí)點(diǎn)2 點(diǎn)撥 1 勒夏特列原理只能解釋有關(guān)平衡移動(dòng)的問題 不能用于解釋化學(xué)反應(yīng)速率問題 2 催化劑可以同等程度地加快正逆反應(yīng)速率 所以使用催化劑可以改變反應(yīng)速率但不會(huì)影響化學(xué)平衡 知識(shí)點(diǎn)1 知識(shí)點(diǎn)2 合成氨的基本生產(chǎn)過程 例題2 工業(yè)合成氨是在一定條件下進(jìn)行的可逆反應(yīng) 知識(shí)點(diǎn)1 知識(shí)點(diǎn)2 請(qǐng)回答下列問題 1 第 步除需要催化劑這個(gè)條件外 還需要的條件是 2 第 步操作中的原料氣的 凈化 目的是 第 步操作中的目的是 3 工業(yè)合成氨反應(yīng)后可以通過降低混合氣體的溫度而使氨氣分離出來 這種分離物質(zhì)的方法的原理類似于下列哪種方法 填編號(hào) A 過濾B 蒸餾C 分液D 萃取你作出這個(gè)判斷的理由是 4 可以用氯氣來檢驗(yàn)輸送氨氣的管道是否漏氣 如果漏氣則會(huì)有白煙生成 該反應(yīng)的化學(xué)方程式為 知識(shí)點(diǎn)1 知識(shí)點(diǎn)2 解析 2 原料氣中往往含有使催化劑中毒的物質(zhì) 所以在原料氣進(jìn)行反應(yīng)前 需要除掉其中的雜質(zhì) 工業(yè)合成氨反應(yīng)后的混合氣體中既有氨氣 也有未反應(yīng)的氫氣 氮?dú)?所以為了提高原料氣的利用率 將未反應(yīng)的原料氣進(jìn)行重新利用 這樣可以提高經(jīng)濟(jì)效益 3 降低溫度 氨變?yōu)橐簯B(tài) 從而進(jìn)行分離 所以與蒸餾類似 都是通過改變溫度 使物質(zhì)的聚集狀態(tài)發(fā)生變化而分離 4 2NH3 3Cl2N2 6HCl 生成的HCl又與NH3反應(yīng)生成NH4Cl小顆粒而形成白煙 答案 1 高溫 高壓 2 防止催化劑中毒提高原料利用率 或提高經(jīng)濟(jì)效益等 3 B通過改變溫度而改變物質(zhì)的狀態(tài) 達(dá)到分離的目的 4 8NH3 3Cl26NH4Cl N2 知識(shí)點(diǎn)1 知識(shí)點(diǎn)2 點(diǎn)撥在合成氨反應(yīng)的平衡混合物中氨的體積分?jǐn)?shù)僅占15 還有大量的氮?dú)夂蜌錃馕捶磻?yīng) 為了充分利用原料 要把氨及時(shí)分離出來 使未反應(yīng)的原料氣重新得到利用 12345 1工業(yè)上用氫氣和氮?dú)夂铣砂?氫氣的主要來源是 A 水和燃料B 電解水C 鋅和稀硫酸D 液化空氣解析 B C項(xiàng)生產(chǎn)H2成本太高 不符合實(shí)際 D項(xiàng)空氣中不含有H2 通過液化得不到H2 答案 A 12345 2如圖是合成氨的簡(jiǎn)要流程示意圖 x路線上送回合成塔的物質(zhì)是 A 催化劑B N2和H2C 只有N2D 只有H2解析 工業(yè)上將未反應(yīng)的N2 H2通過循環(huán)壓縮機(jī)送回合成塔循環(huán)利用 答案 B 12345 3合成氨反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體分子數(shù)減小的放熱反應(yīng) 合成氨工業(yè)的工藝流程如下 下列關(guān)于合成氨工業(yè)的說法中不正確的是 A 混合氣進(jìn)行循環(huán)利用遵循綠色化學(xué)思想B 合成氨反應(yīng)需在低溫下進(jìn)行C 對(duì)原料氣進(jìn)行壓縮是為了增大原料氣的轉(zhuǎn)化率D 原料氣之一的氫氣可由天然氣和水反應(yīng)制得解析 合成氨反應(yīng)雖是放熱反應(yīng) 但是溫度較低時(shí) 反應(yīng)速率太慢 適宜溫度需在400 500 且該溫度下催化劑的活性較大 答案 B 12345 4合成氨工業(yè)采取的下列措施中 不能用勒夏特列原理解釋的是 10 30MPa 500 的高溫 鐵觸媒作催化劑 將生成的氨液化并及時(shí)從體系中分離出來 未反應(yīng)的N2 H2循環(huán)到合成塔中A B C D 解析 對(duì)于反應(yīng)N2 3H22NH3 中增大壓強(qiáng)可使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng) 中高溫不利于反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的提高 只能加快反應(yīng)速率 中催化劑不影響化學(xué)平衡 中及時(shí)分離出NH3和將未反應(yīng)的N2 H2循環(huán)到合成塔中 使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng) 答案 B 12345 5利用天然氣合成氨的工藝流程示意圖如下 12345 依據(jù)上述流程 完成下列填空 1 圖中CH4的一次轉(zhuǎn)化過程中的化學(xué)方程式是 2 脫硫過程中 若有nmolFe2O3 H2O轉(zhuǎn)化 則反應(yīng)掉H2S的物質(zhì)的量為mol 用含n的代數(shù)式表示 3 整個(gè)流程有三個(gè)循環(huán) 一是K2CO3 aq 循環(huán) 二是N2和H2循環(huán) 第三個(gè)循環(huán)中被循環(huán)物質(zhì)是 4 改用過量NaOH溶液吸收天然氣中的硫化氫 以石墨作電極電解吸收后所得溶液可回收得到硫 同時(shí)得到副產(chǎn)物H2 其電解總反應(yīng)方程式 忽略氧氣的氧化還原 為 12345 解析 1 由工藝流程圖知 CH4和H2O g 一次轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物為H2和CO CH4沒有完全反應(yīng) 說明該反應(yīng)為可逆反應(yīng) 2 脫硫的化學(xué)方程式為 Fe2O3 H2O 3H2S2FeS S 4H2O則n H2S 3n Fe2O3 H2O 3nmol 3 由工藝流程圖知 向FeS S H2O的混合物中通入O2 生成的Fe2O3 H2O循環(huán)使用 4 過量NaOH溶液吸收H2S氣體生成Na2S 用惰性電極電解Na2S溶液生成NaOH S和H2