2018-2019学年人教版选修2 第一单元课题2 人工固氮技术——合成氨 作业
课题2人工固氮技术-合成氨
合成氨生产过程中需要消耗大量能源和原料， 同时会产生大量的废气、废水和固废，对环境 造成一定压力。
合成氨生产过程中产生的废水含有多种有害物质 ，如重金属、有机物等，对水体环境造成污染。
05
人工固氮技术的挑战与未来展望
人工固氮技术的挑战
1 2
高能耗
传统的人工固氮技术需要消耗大量的能源，这不 仅增加了生产成本，还对环境造成了负面影响。
环境保护
通过人工固氮技术，可以减少大 气中过量的氮气排放，减轻氮氧 化物对环境的污染，对环境保护 具有重要意义。
02
人工固氮技术原理
人工固氮技术概述
人工固氮技术是通过化学或生 物方法将空气中的氮气转化为 含氮化合物的过程。
人工固氮技术是解决全球氮资 源紧缺问题的重要途径之一。
人工固氮技术广泛应用于农业 生产、工业制造和环境保护等 领域。
合成氨的化学反应原理
合成氨是一个可逆反应，需要在高温、高压和催化剂存在的条件下进行。 N2 + 3H2 → 2NH3
反应过程中需要消耗大量的能量，因此需要采用高效的合成技术和能量回收系统。
合成氨工艺流程
合成氨工艺流程主要包括原料气的制备 、净化和压缩、合成反应、氨的分离和 回收等步骤。
氨的分离和回收是将氨气从反应气体中 分离出来，并进行回收和精制，最终得 到合格的氨产品。
利用光能激发氮气和氢气发生合成反应，具有能源利用可持续、 反应条件温和等优势。
生物合成氨
利用微生物或酶催化氮气和氢气合成氨，具有反应条件温和、可 利用废弃物等优点。
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合成氨是农业生产中重要的氮肥来源，能够提供 植物生长所需的氮元素，促进作物生长。
合成氨生产的氮肥能够提高土壤肥力，增加农作 物产量，对保障全球粮食供应具有重要意义。
高中化学 第一单元 走进化学工业 课题2 人工固氮技术——合成氨素材 新人教版选修2
第一单元走进化学工业课题2 人工固氮技术——合成氨合作共赢请你和同学们参观合成氨企业，根据合成氨工业的化学原理来为化工企业选择适宜的化工生产条件。
工业上合成氨，既要使反应进行得快，又要使平衡尽可能地向正反应方向移动，以提高氨的产量，同时，还要考虑生产中的动力、材料、设备等因素，以取得最佳效益。
因此，必须根据化学反应速率和化学平衡移动原理的有关知识，对合成氨的条件进行选择。
讨论完成下表的填写：读书做人哈伯与合成氨1909年7月2日，暮途穷Fritz Haber领导的研究小组首次用金属锇粉作催化剂，在高温高压设备中成功地生产出90 g氨，全世界为之震惊。
BASF（Badische Anilin und Soda Fabrik）公司为了开发合成氨催化剂，抢先预定了全世界所有金属锇的购买权，总量约达100 kg，出巨资资助此项研究工作。
这足可以看出当时BASF公司为开发合成氨催化剂决心之大、信心之足、心情之迫切。
随时间不长，Haber被推选担任在柏林新建立的物理化学与电化学研究所所长，他不得不停止在合成氨领域的开创性工作。
他获得了1918年诺贝尔化学奖。
紧接着，BASF公司把研究合成氨催化剂的工作交给了Alilin Mittasch。
他并没有一头扎进实验室，而是对过去的实验数据进行了全面的分析，对几百种试验的催化剂进行了分类和总结。
他们的研究队伍从1909年到1912年的短时间内，完成的实验量是惊人的，在2 500个不同的催化剂上大约进行了6500次实验，完成4000多个不同体系的研究工作。
与此同时，全世界至少有30多个国家，几百介研究机构也都进行寻找和开发合成氨催化剂的研究工作。
真可谓如火如荼的时代。
经过化学分析瑞典磁铁矿和进一步验证，发现最好的催化剂就是纯铁和百分之几的氧化铝混合，少量的钾碱和石灰熔合，其组成与瑞典磁铁矿相近。
现在全世界所有的合成氨催化剂都是依据这个发现制备的，只是性能和结构更趋于稳定和优良。
人教版选修2高中化学教案 人工固氮技术---合成氨
人工固氮技術——合成氨一、教材分析和建議本課題圍繞著合成氨的反應原理以及實現工業化生產的有關問題展開討論，幫助學生瞭解合成氨工業生產的主要原理和過程，認識並體會由實驗室研究到工業化生產所需要經歷的過程。
教科書的設計是，為了說明如何將大氣中的氮固定下來這一中心問題，首先，呈現問題提出的背景，也就是人們為什麼要想方設法地將大氣中的氮固定下來，直接的原因是滿足人類對氮肥、硝酸等含氮化合物的需要，間接的原因是地殼中氮元素的含量少、分佈不均；緊接著的問題是如何將大氣中的氮固定下來，指出合成氨在科學上和技術上的突破。
最後，討論和評價並引發思考合成氨工業發展所面臨的新問題。
這種設計整體上體現了技術實踐中問題解決不斷迴圈發展的一般過程，如下頁圖所示。
教學建議如下：1. 注意引導學生思考人工固氮技術——合成氨對於人類社會發展的重要意義，體現化學與技術發展的社會需求導向，並對技術生產評價標準的多元化有一個初步的認識。
說明在化學研究中，有些課題是屬於學術研究的熱點和重點，但不一定是技術研究開發的熱點和重點，技術研究往往要解決實際生產和生活中的具體問題，是受社會需求驅動的，這一點貫穿於整個教科書體系的設計中。
另外，化學技術創新往往要落實在一種產品的生產上，合成氨就是這方面的典型代表。
在課題1瞭解化工生產過程中的基本問題的基礎上，引導學生思考將實驗室研究轉化成實際生產時面臨的一些問題，展示由一種原理上可行的設想轉變成實際生產過程中人們所要付出的艱苦努力。
對於有志於理工科的學生來說，在培養科學技術素養的同時不斷提高人文素養；對於有志於人文學科的學生來說，要幫助他們形成對於科學技術在社會發展中重要作用的正確認識。
例如，可以結合對哈伯其人其事（見教學資源）的分析評價，請同學們討論和交流各自的看法。
2. 通過實驗學習合成氨的反應原理，利用化學反應速率、化學平衡移動原理分析和討論合成氨的適宜反應條件。
由於氮氣具有特殊的穩定性，合成氨是人工固定氮的一種方法，但反應條件比較苛刻。
人教版选修2高中化学教案 《人工固氮技术—合成氨》
課題2 人工固氮技術---合成氨相關素材一、哈伯和哈伯法合成氨19世紀以前，一些有遠見的化學家指出：考慮到將來的糧食問題，為了使子孫後代免於饑餓，我們必須寄希望於科學家能實現大氣固氮。
因此將空氣中豐富的氮固定下來並轉化為可被利用的形式，在20世紀初成為一項受到眾多科學家注目和關切的重大課題。
哈伯就是從事合成氨的工藝條件試驗和理論研究的化學家之一。
利用氮、氫為原料合成氨的工業化生產曾是一個較難的課題，從第一次實驗室研製到工業化投產，約經歷了150年的時間。
1795年有人試圖在常壓下進行氨合成，後來又有人在50個大氣壓下試驗，結果都失敗了。
19世紀下半葉，物理化學的巨大進展，使人們認識到由氮、氫合成氨的反應是可逆的，增加壓力將使反應推向生成氨的方向：提高溫度會將反應移向相反的方向，然而溫度過低又使反應速度過小；催化劑對反應將產生重要影響。
這實際上就為合成氨的試驗提供了理論指導。
當時物理化學的權威、德國的能斯特就明確指出：氮和氫在高壓條件下是能夠合成氨的，並提供了一些實驗數據。
法國化學家勒夏特列第一個試圖進行高壓合成氨的實驗，但是由於氮氫混和氣中混進了氧氣，引起了爆炸，使他放棄了這一危險的實驗。
在物理化學研究領域有很好基礎的哈伯決心攻克這一令人生畏的難題。
哈伯首先進行一系列實驗，探索合成氨的最佳物理化學條件。
在實驗中他所取得的某些數據與能斯特的有所不同，他並不盲從權威，而是依靠實驗來檢驗，終於證實了能斯特的計算是錯誤的。
在一位來自英國的學生洛森諾的協助下，哈伯成功地設計出一套適合於高壓實驗的裝置和合成氨的工藝流程，這流程是：在熾熱的焦炭上方吹入水蒸汽，可以獲得幾乎等體積的一氧化碳和氫氣的混和氣體。
其中的一氧化碳在催化劑的作用下，進一步與水蒸汽反應，得到二氧化碳和氫氣。
然後將混和氣體在一定壓力下溶於水，二氧化碳被吸收，就制得了較純淨的氫氣。
同樣將水蒸汽與適量的空氣混和通過紅熱的炭，空氣中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉，從而得到了所需要的氮氣。
人教版高中化学选修2精品学案：第1单元课题2 人工固氮技术——合成氨
③废液：主要是含氰化物和含氨的污水。
处理氰化物主要有生化、化学沉淀、反吹回炉等方法。处理含氨的废水可用蒸馏回收和离子交换等方法。
适宜条件的选择
要考虑实际生产中的动力、材料、设备等因素，以取得最佳经济效益。
提示：(1)增加N2的比例。
(2)一般采用的压强在10～30 MPa之间。
(3)以500℃左右为宜。而且在此温度下催化剂活性最大。
(4)铁触媒为催化剂。
反应原理
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) (放热反应)
基本生产过程
(1)造气
①N2：来源于空气。
②H2：C＋H2O CO＋H2，
CH4＋H2O CO＋3H2。
原料气净化处理
(1)原料气净化的原因是有些杂质可使催化剂“中毒”。
(2)用稀氨水吸收H2S杂质：NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O。
(3)使CO变成CO2：CO＋H2O===CO2＋H2。
(4)除去CO2(用K2CO3溶液吸收)：K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。
将原料气合成氨与分离
合成氨所需的原料是( )
①水②空气③焦炭④铁触媒
A．①②B．②③
C．①②③D．全部
解析：选C。铁触媒是合成氨的催化剂，不属于原料。
合成氨工业中控制的反应条件应( )
A．温度越高越好
B．压强越大越好
C．混合气体中氢气含量越高越好
D．所选的催化剂活性越大越好
解析：选D。工业合成氨的热化学方程式：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，似乎压强越大就越有利于平衡向合成氨的方向移动，温度越高达到平衡的时间就越短，易错选A或B。实际上在合成氨的工业生产中，压强不能太大，否则能耗太高，并且对设备的要求高。而根据化学平衡移动原理，此反应温度越低越有利于平衡向正方向移动，但温度太低，则催化剂的催化活性不能很好地发挥，反应速率太慢；为解决上述矛盾，一般选择使催化剂活性最大时的温度。
课题2人工固氮技术──合成氨
课题2 人工固氮技术——合成氨
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2.试从速率和平衡的角度综合分析合成氨工业选择400～500 ℃的 温度，10～30 MPa的压强的原因。 答案 合成氨反应是一个可逆、放热、气体分子总数减小的反应。 根据勒夏特列原理，温度越低，压强越大，该反应的平衡体系中 氨的含量越高；但降低温度使反应速率降低，增大压强对设备要 求较高，而400～500 ℃时催化剂活性最好，10～30 MPa下N2、 H2的转化率已经较高，故选择在该条件下进行合成氨。
课题2 人工固氮技术——合成氨
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4.合成氨工业的发展
合成氨工业的主要研究领域有以下三个方面：
(1) 原料及原料气 的净化。 (2) 催化剂 的改进。
(3)环境保护 废渣：用作 建材和肥料的原料 ；
废气：主要是 H2S 和 CO2 等有害气体； 废液：主要是含 氰化物 和含 氨 的污水。
课题2 人工固氮技术——合成氨
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。 5.及时将NH3从平衡体系中分离出来，并将 N2、H2重新压缩后 输入合成塔再次利用，提高原料的利用率。
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①铁丝绒的作用： 催化剂 。 ②润湿的pH试纸的作用： 检验生成的氨气 ，现象 pH试纸 变蓝 。 (3)工业上，通常采用以铁为主的催化剂，在 400～500 ℃和 10～30 MPa的条件下合成氨。
课题2 人工固氮技术——合成氨
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议一议 1.你知道氮固定的主要途径有哪些？通过闪电引发自然固氮的原 理是什么？ 答案 豆科植物的根瘤菌固氮，雷电固氮，人工固氮 ——工业 合成氨 N2＋O2=放==电==2NO 2NO＋O2===2NO2
高中化学人教版选修2教案-课题2_人工固氮技术——合成氨_教学设计_教案
教学准备1. 教学目标1.了解合成氨对人类社会发展的重要意义。
2.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。
3.了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义。
2. 教学重点/难点1、合成氨的反应原理、合成氨生产的适宜条件2、合成氨生产适宜条件3. 教学用具4. 标签教学过程[课程引入] 在新疆与青海交界处有一山谷，人称魔鬼谷。
每当人畜进入后，经常电闪雷鸣，狂风暴雨，把人畜击毙。
然而谷内却是牧草茂盛，四季常青。
请同学们一起思考并解释原因。
空气中的氮转化为氮氧化物被植物吸收。
在人们生活中也经常有“雷雨发庄稼”“春雨贵如油”等说法。
[过渡]大家都知道在地壳中氮的含量只有0.04%，而大气中氮气的体积分数为78%。
空中游离态氮气不能被庄稼吸收，必须将其转化为氮的化合物后才能被吸收。
将游离氮转化为化合态氮的方法叫氮的固定。
大家请看教材P10上，看一下氮在自然界的循环。
那么怎样才能有效利用廉价的自然资源来生产含氮化合物？请阅读思考与交流—事实2部分。
[讲述] 家作物每年从土壤中摄取大量含氮化合物，为了补偿土壤中减少的氮，必须施加氮肥。
必须人工固氮。
由于氮气的化学性质很不活泼，直到20世纪初才研究出一些固氮方法，其中合成氨是最有效且便于工业化的方法，本节课我们就一起来探讨这一内容。
[板书] 人工固氮技术----合成氨[讲述]合成氨的反应原理是什么？请同学们结合教材一起回答。
[投影并板书]一．合成氨的反应原理：适宜条件探讨：工业上常采用以铁为主的催化剂，在400～500℃和10Mpa～30Mpa的条件下合成氨。
同学们可以在课余的时候了解合成氨的科学史话——哈伯和哈伯法合成氨。
[讲述并板书]接下来我们来探讨工业合成氨的基本过程，根据前面所学的知识，大家一起来说是哪几个步骤？[学生讨论回答]造气、净化、合成和分离。
[讲述]下面我们一步一步的来分析。
首先要选择制备所需要的原料气，根据我们已有的知识，合成氨需要氮气和氢气，那么怎样获取这两种气体？[学生]由空气液化分离所得氮气。
人教版化学选修2 第1单元 课题2 人工固氮技术—合成氨 同步练习试题含答案
人教版化学选修2 第1单元课题2 人工固氮技术—合成氨1. 将空气中氮气转化为氮的化合物的过程称为固氮，下图中能实现人工固氮的是( )2. 在一定条件下，进入氨合成塔的混合气体中氮气的体积占22%，氢气的体积占78%，经合成反应达到平衡后，在相同温度和压强下，气体体积缩小至原体积的95%，氮气的转化率接近于( )A．11.5% B．10.5% C．9.75% D．13.2%3.实验室合成氨装置如下图所示，则以下说法中错误的是( )A．装置甲的作用之一是干燥B．装置甲的作用是化合C．乙处导出的气体是N2、H2、NH3D．检验产物可用湿润的红色石蕊试纸或浓盐酸等4. 合成氨工业上采用循环操作，主要是为了( )A．加快反应速率 B．提高NH3的平衡浓度C．降低NH3的沸点 D．提高N2和H2的利用率5.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。
对于密闭容器中的反应：N 2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，673 K、30 MPa下n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如下图所示。
下列叙述正确的是( )A．点a的正反应速率比点b的小B．点c处反应达到平衡C．点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样D．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比上图中d点的值大6. 工业合成氨的反应是在500 ℃左右进行，主要原因是( )A．500 ℃时反应速率最快 B．500 ℃时的平衡浓度最大C．500 ℃时的转化率最高 D．500 ℃催化剂能发挥最大效力7. 某温度时，在一体积为2 L的密闭容器中，通入112 g N2和24 g的H2，此时容器内压强为p大气压。
在该温度和催化剂作用下，H2和N2反应达到平衡，测得平衡时压强为0.95p大气压，下列说法不正确的是( )A．平衡时，N2物质的量是3.6 mol B．平衡时，H2的物质的量是10.8 mol C．平衡时，N2的转化率是10% D．NH3的体积百分含量是10%8. 合成氨所用的H 2可由煤与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO 2(g)＋H2(g) ΔH＜0，欲提高CO转化率可采用的方法有：①降低温度；②增加压强；③使用催化剂；④增大CO的浓度；⑤增大水蒸气的浓度，其中正确的组合是( )A．①②③④⑤ B．①⑤ C．①④⑤ D．只有⑤9. 农作物生长发育需要大量的氮养分，除了可用人工固氮方法(合成氨)获得铵态氮外，自然界雷电现象也是一种固氮途径，经由雷电固定的氮是硝态氮(硝酸或硝酸盐形式)，写出氮气转化为硝酸的化学方程式____________，____________，____________。
课题2 人工固氮技术──合成氨
工厂
产 品
零
废
原部 料件
部分再循环
水 、 废
渣
合成氨
适宜条件的选择
外部条件 压强 温度
工业合成氨的适宜条件
20MPa~50MPa，该压强 下进行生产，对动力、材 料、设备等来说正合适。 500℃左右，该温度是合成氨催 化剂的活性温度；
催化剂
使用铁触媒作催化剂
N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比,
(B)充入过量H2 (D)升高温度
【巩固提升】
4.对于反应: 2SO2(g)+O2 (g) 下列判断正确的是( BC )
2SO3 (g)
A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3 B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动
C.平衡时, SO2消耗速率必定等于O2的生成速率 的两倍
D.平衡时, SO2浓度必定等于O2浓度的两倍.
【巩固提升】
2.工业合成氨的反应是在500℃左右进行，主 要原因是（ D ）
A.500℃时反应速率最快 B.500℃时 NH3的平衡浓度最大 C.500℃℃时N2的转化率最高 D.500时催化剂能 Nhomakorabea挥最大效力
【巩固提升】
3.在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是
（C）
(A)延长反应时间 (C)充入过量N2
【练习】
已知2SO2(g)+O2(g)
2SO3 (g) △H＜0
(3)在生产中，通入过量空气的目是
增大氧气浓度，提高SO2的利用率
（4）尾气防中止有SOSO2污2必染须空回气收是为了
【巩固提升】
1.在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列 变化过程不能使平衡向右移动的是（ B）C （A）不断将NH3分离出来 （B）使用催化剂 （C）采用700K左右的高温 （D）采用2×107～5×107Pa的压强
课题2-人工固氮技术-—合成氨
●教学地位 本课题是在课题 1 的基础上学习合成氨的反应原理，利 用化学反应速率、化学平衡移动原理分析和讨论合成氨的适 宜条件。 在高考中会以合成氨为载体考查化学方程式的书写， 平衡移动原理及其应用，尾气处理等化学基础知识，体现了 化学知识在化工生产中的应用。
●新课导入建议 闪电能使空气里的氮气转化为一氧化氮、一次闪电能生 成 80～ 1500 kg 的一氧化氮。这也是一种自然固氮。 豆科植物中寄生有根瘤菌，它含有氮酶，能使空气里的 氮气转化为氨，再进一步转化为氮的化合物。 除豆科植物的根瘤菌外，还有牧草和其他禾科作物根部 的固氮螺旋杆菌、一些原核低等植物 ——固氮蓝藻、自生固 氮菌体内都含有固氮酶，这些酶有固氮作用。这一类属自然 固氮的生物固氮。
方法 流程 赤热 水蒸气――→CO＋ H2 焦炭 主要反应 高温 C＋ H2O(g)===== CO＋ H2
水蒸
H2O g 吸收 CO＋ H O(g)催化剂 ===== CO2＋ CO2＋H2――→ 2 气法 ―――→ △ CO 2 催化剂 H2 H
2
O2或水蒸气 碳氢化合――――――→ 碳氢 一定条件下 化合 物法 H2 O CO、 CO2、 H2――→ K2CO3溶液 CO2＋H2 ――――→ H2
CH4＋H2O===3H2＋ CO CH4＋ 2H2O===4H2＋ CO2
2.原料气的净化 (1)净化原因：原料气中含有的某些杂质会使合成氨所用 的催化剂“中毒”，所以必须除去。
3．氨的合成与分离
(1)氨的合成：将净化后的原料气加压送进 在适宜条件下充分反应制取氨。
合成塔 ，
(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。 分离出的其他气体，经过循环压缩机，再送到 合成塔 中进 行反应。
高中化学第一单元走进化学工业2人工固氮技术__合成氨课后习题含解析新人教版选修2
人工固氮技术——合成氨A组1.人工固氮的成功对人类社会的进步具有重大意义,下列过程属于人工固氮的是( )A.种植豆科植物,利用其根瘤菌将氮气转化为蛋白质B.闪电时氮气与氧气化合,生成的氮的化合物被植物吸收C.化工厂中在催化剂作用下使氮气与氢气化合成氨气D.以氨气为原料生产各种化肥解析:豆科植物的根瘤菌将氮气转变成植物蛋白属于生物固氮过程,A错误;闪电时氮气和氧气反应生成NO,是在自然条件下的氮的固定,B错误;在一定条件下反应生成N属于工业合成氨的过程,属于人工固氮方式,C正确;由N生产各种化肥,是氮的化合物之间的转化过程,不属于氮的固定过程,D 错误。
答案:C2.在合成氨时,可以提高H2转化率的措施是( )A.延长反应时间B.充入过量H2C.充入过量N2D.升高温度解析:A项不能提高转化率,B、D项反而会降低H2转化率;只有充入过量N2才能使平衡向正反应方向移动,提高H2转化率,故C正确。
答案:C3.合成氨工业中采用循环操作,主要是为了( )A.加快反应速率B.提高NH3的平衡浓度C.降低NH3的沸点D.提高N2和H2的利用率解析:合成氨工业采用循环操作,将N2、H2循环压缩到合成塔中,提高了N2、H2的利用率。
答案:D4.化工生产中,为加快反应速率应优先考虑的措施是( )A.选用适宜的催化剂B.采用高压C.采用高温D.增大反应物浓度解析:化工生产中应首先考虑的是生产成本,因此应先考虑使用催化剂,提高反应速率。
答案:A5.合成氨生产过程采取的措施与化学平衡移动原理无关的是( )A.选择适当的温度B.增大体系压强C.使用铁触媒作催化剂D.不断分离出氨解析:催化剂只能改变化学反应速率,对平衡移动无影响。
答案:C6.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400~500 ℃,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10~30 MPa,因为该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项错误;控制反应温度为400~500℃,主要是为了使催化剂活性最大,因此,C选项错误;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1×107~3×107Pa,但这并不是因为该压强下铁触媒的活性最大,因此,D选项错误。
新人教版高中化学选修2第一单元走进化学工业课题2人工固氮技术__合成氨教学案-附答案
课题2人工固氮技术——合成氨1．氮的固定使空气中游离态的氮转变为化合态的氮的方法叫氮的固定。
2．合成氨原理(1)实验装置：(2)现象：湿润的pH 试纸变为蓝色。
(3)化学方程式：N 2＋3H 2高温、高压催化剂2NH 3(放热反应)。
3．工业合成氨的条件⎩⎪⎨⎪⎧ 温度：400～500 ℃压强：10～30MPa催化剂：以铁为主[跟随名师·解疑难](1)工业合成氨的反应是一个气体体积减小的放热反应。
(2)合成氨条件的选择：①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10～30 MPa 之间。
②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。
③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。
目前工业上多以铁触媒为催化剂。
[剖析典例·探技法][例1] 有关合成氨工业的叙述，不能用勒夏特列原理解释的是( )A ．使用铁触媒有利于合成氨的反应B ．高压比常压更有利于合成氨的反应C ．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应D ．使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应[名师解析] 使用铁触媒，可以加快化学反应速率，缩短达到平衡的时间，但平衡不会发生移动，不能用勒夏特列原理解释；合成氨的反应是放热反应，低温虽可提高平衡混合物中NH 3的含量，但反应速率太慢，而温度太高，虽能加快反应速率，却使平衡混合物中NH 3的含量降低，因此工业生产中一般采用500 ℃左右的温度，此时催化剂的活性最大，故不能用勒夏特列原理解释。
[答案] AC[名师点睛]合成氨条件的理论分析与实际化工条件比较合成氨的生产主要包括三个步骤：造气、净化、合成。
1．制备合成氨的原料气CH 4＋H 2O =====催化剂△CO ＋3H 2、CH 4＋2H 2O =====催化剂△CO 2＋4H 2。
化学人教版选修2学案：名师导航 第一单元课题2人工固氮技术——合成氨 含解析
课题2 人工固氮技术——合成氨名师导航知识梳理1.合成氨工业简介（1）合成氨工业流程原料气的_____________→_____________→压缩→①原料气的制取N2：先将空气____________、____________分离出____________，或者将空气中的____________与碳作用生成____________，除去____________后得N2。
H2：用水和燃料（煤、焦油、石油、天然气等）在高温下制取。
用煤和水制H2的主要反应为：____________________________________。
②制得的N2、H2需净化，除杂质，需用压缩机压缩至高压。
③氨的合成：在适宜条件下，在合成塔中进行。
④氨的分离：经____________使氨液化，将____________分离出来，提高原料的转化率，并将没有反应完全的____________和____________循环送入合成塔，使其充分被利用。
（2）氨的合成①主要设备：____________。
②反应原理：__________________________________________________________________。
2.合成氨的适宜条件的选择选择适宜条件的目的是___________和___________。
因此可依据外界条件对___________和___________规律，选择适宜的反应条件。
（1）选择适宜条件的依据合成氨的反应原理：N2（g）+3H2（g）2NH3（g），ΔH=-92.4 kJ·mol-1，这一反应的特点是________、________热的________反应。
（2）合成氨的适宜条件①增大________、________浓度，及时将生成的________分离出来。
②温度为________ ℃左右。
③压强为________—________ Pa。
④________作催化剂。
2018-2019学年高中化学(人教版)选修2课件：第一单元课题2 人工固氮技术——合成氨 第2课时(17张)
二、 合成氨工业的发展
知识精要 1.催化剂的改进 催化剂的突破会彻底改变工艺过程,合成氨工业中,使用磁铁矿 催化剂已经 80 多年,现在有采用钌为基础活性物质的新型催化剂。 2.环境保护 (1)废渣的处理:将它们用作建材和肥料。 (2)废气的处理:对 H2S 先后采用直接氧化法、循环法等回收技 术。 (3)废液的处理:处理含氰化物的污水主要有生化、加压水解、 氧化分解、化学沉淀、反吹回炉等方法;含氨废水多以蒸馏的方法 回收氨。
2.氢气的制备 制取氢气的途径 电解水制取氢气 由煤(或焦炭)制取 氢气 由天然气制取氢气 化学反应原理 2H2O 2H2↑+O2↑ CO+H2 3H2+CO,CH4+2H2O(g) CO2+H2
C+H2O(g) CH4+H2O(g)
4H2+CO2,CO+H2O(g)
思考探究 1.将空气液化后蒸发分离出 O2 和 N 2,液态空气中 N 2 先汽化还 是 O2 先汽化 ? 答案:N2 的沸点比 O2 的沸点低,因此液态空气汽化时,N2 先挥发 出来。 2.制备氢气的 3 种方法中,比较经济的是哪一种? 答案 :用天然气制取氢气是比较经济的。因为电解水制取氢气 需要大量的电能;由煤(或焦炭)制取氢气的方法中煤的使用会产生 大量有毒气体。 3.根据合成氨的生产过程,请举例说明合成氨工业可以进行哪 些联合生产或深加工? 答案 :原料气在制备的过程中产生了大量的 CO 和 CO2,可以用 氨水吸收 CO2 制取 NH4HCO3 作为氮肥等。也可以将氨气催化氧化 进一步加工制硝酸。
2.合成氨工艺流程图。
预习交流 1 从以上流程图中 ,可看出原料气要进行净化,为什么 ? 提示 :合成氨需要纯净的氮气和氢气。在制取原料气的过程中, 常混有一些杂质,其中的某些杂质会使合成氨的催化剂中毒而失去 催化作用 ,所以必须除去。
课题2： 人工固氮技术--合成氨
普通高中课程标准实验教科书—化学选修第二册[人教版]第1单元走进化学工业课题2 人工固氮技术---合成氨教学目的：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：参观化工厂或观看有关的影像资料片，考察企业的选址情况，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，撰写考察报告。
课时划分：一课时教学过程：见PPT文件[课堂作业]1．合成氨工业对化学工业和国防工业有重要的意义，对我国实现农业现代化起着重要的作用。
关于合成氨工业的说法正确的是DA．合成氨反应一般选择在500℃左右的温度下进行，只是因为考虑到催化剂的催化活性 B．合成氨工业必须使用铁触媒作催化剂C．目前我国的合成氨工业一般采用的条件是：T，500℃左右；P，20MPa—50 MPa ,这时平衡混合物中氨的体积分数已接近100％D．有研究表明，在400℃、压强超过200MPa时，不必使用催化剂氨的合成反应就能顺利进行2、在合成氨工业中，下列事实不能用勒夏特列原理来解释的是CA．向循环气体中不断补充N2和H2并将生成的NH3及时地从混合气中分离出来，这样做有利于合成氨的反应B．高压有利于合成氨的反应C．加入催化剂有利于合成氨的反应D．温度过高不利于合成氨的反应3、下面是合成氨的简要流程示意图，沿X线路回去的是CDA．N2和H2 B．催化剂 C．N2 D．H24、关于催化剂的叙述，正确的是CA.催化剂在化学反应前后性质不变B.催化剂在反应前后质量不变，故催化剂不参加化学反应C.反应物中的某些杂质能使催化剂失去活性，造成催化剂“中毒”D.催化剂可以提高反应物的转化率5、下列反应起了氮的固定作用的是DA.NH3经催化氧化获得NOB.NO2跟水作用制取硝酸C.NH3＋CO2＋H2O＝NH4HCO3D.N2＋O2＝2NO（放电条件）6、工业上用氨和二氧化碳反应合成尿素.已知下列物质在一定条件下均能与水反应产生H2和CO2，H2是合成氨的原料，CO2供合成尿素用.若从充分利用原料的角度考虑，选用 (填序号)物质作原料较好BA.COB.石脑油(C5H12、C6H14)C.CH4D.焦炭7．哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖.现向一密闭容器中充人1molN2和3molH2，在一定条件下使该反应发生，有关说法正确的是CA．达到化学平衡时，N2将完全转化为NH3B．达到化学平衡时，N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等C．达到化学平衡时，N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化D．达到化学平衡时，正反应和逆反应的速率都为零8．合成氨所需的氢气由煤与水发生反应制得，其中一步反应为：CO+H2O CO2+H2（正反应为放热），要使CO转化率提高，可采用下列措施中的ACA. 增大水蒸气的浓度B. 增大CO的浓度C. 降低温度D. 增大压强9、实验室用N2、H2合成氨气，并用酚酞试液检验生成的氨气，用锌与盐酸反应制取氢气；用N aNO2饱和溶液和NH4Cl饱和溶液共热制取氮气：NaNO2+NH4Cl=NaCl + NH4NO2NH4NO2N2↑+2H2O。
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第一单元课题2人工固氮技术——合成氨课堂检测1．下列反应不属于氮的固定的是()A ．N 2＋O 2=====放电2NO B ．NH 3＋HCl===NH 4Cl C ．N 2＋3H 22NH 3D ．N 2＋3Mg=====△Mg 3N 2答案B2．对于可逆反应N2(g)＋3H 2(g)2NH 3(g)ΔH <0，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答案B3．合成氨反应达到平衡时NH 3的体积分数与温度、压强的关系如下图所示。
根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是()A ．提高分离技术 B.研制耐高压的合成塔C ．研制低温催化剂 D.探索不用N 2和H 2合成氨的新途径答案C4．工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应：N 2(g)＋3H 2(g)2NH 3(g)其部分工艺流程如下图所示：请回答下列问题：(1)第②步除需要催化剂这个条件外，还需要的条件是____________________。
(2)第①步操作中的原料气的“净化”的目的是__________________________________________________________________________________________，第③步操作中的目的是______________________________________________________________________________________________________________。
(3)工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。
这种分离物质的方法的原理类似于下列中的________(填字母)。
a．过滤b．蒸馏c．分液d．萃取你作出这个判断的理由是_____________________________________________________________________________________________________________。
(4)可以用氯气来检验输送氨气的管道是否漏气，如果漏气则会有白烟生成。
该反应的化学方程式为______________________________________________答案(1)高温、高压(2)防止催化剂中毒提高原料利用率(或提高经济效益等)(3)b 通过温度的改变而改变物质的状态，达到分离的目的(4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2课后跟踪强化训练1．氮的循环在自然界元素的循环中具有重要的意义，下列过程中，以游离的氮为原料，最终产生氮的化合物的是()A．由氨制备铵态氮肥B．硝化细菌的硝化过程C．动物尸体的腐烂D．豆科植物的根瘤菌固氮答案D2．下列关于氮气、氢气合成氨的说法中，正确的是()A．将氮气、氢气合成氨，必须施加高温、高压、催化剂等反应条件B．在氮气、氢气合成氨的化学反应中，催化剂的性能对反应物的温度和压强的高低没有制约作用C．现代工业上实施的合成氨属于仿生固氮D．现代工业上实施的合成氨属于人工固氮答案D3．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，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低B．由于氨易液化，N2、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℃左右，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10～30MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大答案B4．实验室合成氨装置如下图所示，则以下说法中错误的是()A．装置甲的作用之一是干燥B．装置甲的作用是化合C．乙处导出的气体是N2、H2、NH3D．检验产物可用湿润的红色石蕊试纸或浓盐酸等答案B5．合成氨工业有下列生产流程：①原料气的制备；②氨的合成；③原料气的净化和压缩；④氨的分离。
其先后顺序正确的是()A．①②③④B．①③②④C．①③④②D．②③①④答案B6．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。
哈伯法合成氨需要在20～50MPa的高压和500℃的高温下，并用铁作为催化剂，氨的转化率为10%～15%；最近美国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为transFe(DMeOPrPE)2的催化剂，在常温下合成出氨。
下列有关说法中错误的是()A．哈伯法合成氨是吸热反应，新法合成氨是放热反应B．新法合成和哈伯法相比不需要在高温条件下，可节约大量能源C．新法合成在常温下进行也需要断裂化学键D．新的催化剂降低了反应所需要的能量答案A7．下图是合成氨的简易流程示意图，沿X 路线回去的物质是()A ．N 2、H 2B ．催化剂C ．N 2D ．H 2答案A8．在NH 3、HNO 3、H 2SO 4的工业生产中，具有的共同点是()A ．使用吸收塔设备B ．使用加压条件C ．使用氢气做原料D ．使用催化剂答案D[能力题组]9．用焦炭、空气、水为原料制备NH 3的有关反应的化学方程式：①C ＋H 2O(g)=====高温CO ＋H 2②CO ＋H 2O(g)=====高温催化剂CO 2＋H 2③N 2＋3H 22NH 3参加反应的焦炭与生成的氨气的物质的量之比约为()A ．3∶4B ．3∶2C ．2∶3D ．1∶2答案A10．合成NH3所需的H 2可由煤与H 2O 反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H 2O(g)CO 2(g)＋H 2(g)ΔH <0。
欲提高CO 转化率可采用的方法可能有：①降低温度；②增大压强；③使用催化剂；④增大CO 的浓度；⑤增大水蒸气的浓度，其中正确的组合是()A ．①②③B ．④⑤C ．①⑤D ．②⑤答案C11．氨在国民经济中占有重要的地位。
现在约有80%的氨用来制造化肥，其余的用作生产其他化工产品的原料。
例如，农业上使用的氮肥如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混合肥料和复合肥料，都是以氨为原料制成的。
(1)综合考虑各种因素，在实际生产中，合成氨一般选择以________为催化剂，压强在________之间，温度在________。
(2)要实现合成氨的工业化生产，首先要解决氢气和氮气的来源问题。
氢气的制取有以下几条途径：①电解水制取氢气，②由煤或焦炭来制取氢气，③由天然气或重油制取氢气。
你认为哪种方法是最佳选择？________(填序号)，其反应的化学方程式为__________________________________________________答案(1)铁触媒10～30MPa 400～500℃(2)③CH 4＋H 2O(g)========催化剂高温CO ＋3H 2、CO ＋H 2O======催化剂△CO 2＋H 212．工业合成氨是“将空气变成面包”的反应，合成氨工业在国民经济中占有极其重要的地位，如图所示是合成氨的简要流程图：Ⅰ.原料气的制备(1)合成氨所需氮气来自空气，方法之一是将空气液化后再加热分离；请另外设计一种从空气中分离出氮气的方法：_________________________________。
(2)请写出工业上获得氢气的一种方法(用化学方程式表示)：__________________________________________________________________。
Ⅱ.原料气的净化为了防止催化剂“中毒”，原料气在进入压缩机之前必须经过净化、精制处理，“精制”过程通常是将含有少量CO 、CO 2、O 2和H 2S 等杂质的原料气体通入含有氨水的醋酸亚铜二氨([Cu(NH 3)2]Ac)溶液，以获得纯净的原料气。
其中，吸收CO 的反应为CO ＋[Cu(NH3)2]Ac ＋NH 3·H 2O[Cu(NH 3)3CO]Ac ＋H 2O(1)ΔH ＜0。
(3)为提高CO 的吸收率，可采取的有效措施是__________________________。
(4)除去氧气时，氧气将[Cu(NH 3)2]Ac 氧化为[Cu(NH 3)4]Ac 2，则反应中还原剂与氧化剂的物质的量之比是________。
Ⅲ.氨的合成(5)工业上合成氨反应的化学方程式为________________________________，在实际生产中，为了提高氢气的转化率而采取的措施是________(填序号)。
A ．降低温度B ．升高温度C ．增大压强D ．降低压强E ．及时移出氨答案(1)将空气与碳作用生成CO 2，除去CO 2即可得到N 2(2)C ＋H 2O(g)=====高温CO ＋H 2或CO ＋H 2O(g)=====高温CO 2＋H 2(其他合理答案也可)(3)降低温度、增大压强(4)4∶1(5)N 2＋3H 22NH 3CE13．如图所示“合成氨”的演示实验(夹持仪器均已省略)。
在Y 形管的一侧用Zn 粒和稀H 2SO 4反应制取H 2，另一侧用NaNO 2固体和NH 4Cl 饱和溶液反应制取N 2，N 2和H 2混合后通过还原铁粉来合成NH 3，再将产生的气体通入酚酞试液中，若酚酞试液变红，则说明产生了氨气。
某课外活动小组通过查阅资料和多次实验，得到了如下信息：信息一：NaNO 2固体和饱和NH 4Cl 溶液混合加热的过程中发生如下反应：①NaNO 2＋NH 4Cl=====△NH 4NO 2＋NaCl ②NH 4NO 2=====△NH 3↑＋HNO 2③2HNO 2=====△N 2O 3↑＋H 2O ④2NH 3＋N 2O 3=====△2N 2＋3H 2O信息二：查阅资料，不同体积比的N 2、H 2混合气体在相同实验条件下合成氨，使酚酞试液变红所需要的时间如下：N 2和H 2的体积比5∶13∶11∶11∶31∶5酚酞变红色所需时间/min8～97～86～73～49～10据此回答下列问题：(1)Y 形管左侧管中发生反应的离子方程式________________________。
(2)铁粉撒在石棉绒上的目的是_______________________________________。
(3)课外活动小组的同学们认为，该实验中即使酚酞变红也不能说明N 2和H 2反应合成了NH 3，得出此结论的理由是_________________________________。
请你另设计一个简单的实验验证你的理由_____________________________欲解决这一问题，可以选用下图中的________装置连接在原装置中的________和________之间。