高中化学 主题1 空气资源 氨的合成 课题3 氨氧化法制硝酸教案 鲁科版选修2
课题3 氨氧化法制硝酸
●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。
●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1 000吨氨的生产装置，1 000吨氨气利用氨氧化法可生产3 000吨硝酸，利用这些硝酸可制造3 500吨烈性TNT。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]。?步骤1：导入新课，
本课时教学地位分析。?步骤2：建议对[思考交流]多提问，反馈学生预习效果。?步骤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。?步骤6：师生互动完成“探究2”。?步骤5：指导学生自主完成[变式训练1]和[当堂双基达标]1～4题。?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。?步骤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氧化氮和选
择吸收二氧化氮的条件。
2.了解氨氧化法制硝酸过程中的尾气对环
境的危害及其处理方法，树立环保意识。 3.进一步认识催化剂在化工生产中的重要作用，体会实验室研究与工业生产的关系。
1.氨氧化法制硝酸的反应方程式。(重点)
2.硝酸生产过程中NO 的获得和NO 2的吸
收。(重难点)
3.氨氧化法制硝酸模拟实验流程及操作方法。(难点)
氨氧化法制硝酸
1.制备流程：NH 3――→2NO ――→2NO 2――→2HNO 3。 2．反应原理：
4NH 3＋5O 2=====催化剂
高温4NO ＋6H 2O 、2NO ＋O 2===2NO 2、3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO 。
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 3、NO 、NO 2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
A．氨水(浓氨水∶水＝1.5∶1) B．催化剂(Cr2O3)
C．干燥剂(无水氯化钙) D．氧化瓶
E．吸收瓶(水、石蕊溶液) F．NaOH溶液
氨氧化法制硝酸的实验装置示意图
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：
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。
(3)F的作用是吸收未反应的NO、NO2气体。
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.
(1)氨气与O2反应可生成多种不同的产物，如NO、N2O、N2，若不控制反应条件，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，主要包括铂系催化剂和非铂系催化剂两类。
2．选择吸收二氧化氮的条件
(1)吸收NO2的反应为：3NO2＋H2O2HNO3＋NO。
(2)吸收NO 2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NO 2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HNO 3的质量分数可达60%～70%，提高了NO 2的吸收率。
3．常压法生产硝酸尾气的处理
(1)碱液吸收法：2NO 2＋Na 2CO 3===NaNO 3＋NaNO 2＋CO 2。
(2)催化还原法：如用H 2、CH 4等在催化剂作用下与氮的氧化物反应。
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。
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？
【提示】 4NH 3＋5O 2=====Pt
高温4NO ＋6H 2O 。
③吸收NO 2的方法是什么？ 【提示】 全压法和综合法。 1．工业制硝酸的原料：NH 3和空气。
2．反应流程：NH 3――→O 2NO ――→O 2NO 2――→H 2O
HNO 3。 3．反应设备：氧化炉、吸收塔、蒸馏塔。 4．工艺流程
5．相关反应
催化剂
4NO＋6H2O
4NH3＋5O2=====
高温
2NO＋O2===2NO2
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
1．Mg(NO3)2具有脱水作用，可用于提高HNO3的质量分数。
2．在工业制HNO3过程中，注意勒·夏特列原理的应用。
把烧红了的铂丝插入盛有浓氨水的锥形瓶中，可观察到下列现象：①液面上的铂丝保持红热；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
5O2=====
4NO＋6H2O，反应是放热的，因此可观察到烧红的铂丝保持红热状态。生成的NO容高温
易与O2继续反应生成红棕色的NO2气体：2NO＋O2===2NO2。NO2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NH3化合产生白烟NH4NO3，反应方程式为NH3＋HNO3===NH4NO3。
【答案】氨水易挥发，瓶内充满NH3和O2的混合气体，当红热的铂丝插入时，由于发生催化剂
下列反应：4NH3＋5O2=====
4NO＋6H2O而放出大量的热，致使铂丝保持红热。生成的NO可继高温
续和O2反应生成红棕色的NO2，反应方程式为2NO＋O2===2NO2，而NO2能与水蒸气反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，生成的挥发性酸HNO3遇NH3则产生白烟NH4NO3，化学反应方程式为NH3＋
HNO3===NH4NO3。
NH3遇HNO3产生白烟(固体颗粒)，易误写为白雾(液体小液滴)。
1．工业上用氨的催化氧化法制HNO3时，先制得50%左右的硝酸，然后再制成98%的浓HNO3，一般采用的方法是
( ) A．加CaCl2后再蒸馏浓缩
B．加生石灰吸去水分后再过滤
C．加硝酸镁后再蒸馏浓缩
D．加入浓H2SO4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馏。由于硝酸镁具有脱水作用，因此可蒸出HNO3含量较高的硝酸蒸气。将硝酸蒸气再进行精馏，即可得到HNO3的质量分数为98%以上的硝酸蒸气，冷凝后即得浓硝酸。
【答案】 C
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、NO2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
2NO2＋Na2CO3===NaNO2＋NaNO3＋CO2，NO＋NO2＋Na2CO3===2NaNO2＋CO2
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 H 2＋NO 2===NO ＋H 2O 2H 2＋2NO===N 2＋2H 2O CH 4＋4NO 2===4NO ＋CO 2＋2H 2O CH 4＋4NO===2N 2＋CO 2＋2H 2O
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。
在硝酸生产过程所排放出来的废气中含有NO 和NO 2，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NO 2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酐，写出用烧碱溶液吸收这种酸酐的化学方程式___________________________________。
【解析】 硝酸的酸酐是N 2O 5，和NaOH 反应生成NaNO 3，亚硝酸的酸酐是N 2O 3，和NaOH 反应生成NaNO 2。
【答案】 氮气 6NO ＋4NH 3=====催化剂
△5N 2＋6H 2O 、6NO 2＋8NH 3===7N 2＋12H 2O N 2O 3＋
2NaOH===2NaNO 2＋H 2O
2．汽车尾气中的烃类、CO 、NO x 和SO 2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 x 反应可生成参与大气循环的无毒气体，并使烃类充分燃烧及SO 2转化，下列说法错误的是
( )
A ．CO 和NO x 反应的化学方程式为：2x CO ＋2NO x =====催化剂
2x CO 2＋N 2
B ．此方法的缺点是由于SO 3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 x 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 2
的转化(在空气中)知道应生成SO 3，SO 3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。
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＋4、NO－3、NH3，又回到土壤和水体中，被植物再次吸收
A．①⑤B．④⑤
C．②④⑤ D．②④
【答案】 C
1．工业制HNO3的3个反应：
催化剂
4NO＋6H2O
4NH3＋5O2=====
高温
2NO ＋O 2===2NO 2 3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO
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。
1．下列过程：①豆科植物根瘤菌将N 2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 2合成氨；④用氨氧化法制硝酸，其中属于固氮的是( )
A ．①②③
B ．②③④
C ．①③④
D ．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( ) A ．4NH 3＋5O 2=====催化剂
高温4NO ＋6H 2O
B ．3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO
C ．NH 3＋HNO 3===NH 4NO 3
D ．2NO 2＋Na 2CO 3===NaNO 2＋NaNO 3＋CO 2
【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 项反应。 【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 3转化为NO 的产率增大
B ．由3NO 2＋H 2O 2HNO 3＋NO 可知整个生产过程中，从理论上说消耗1 mol NH 3仅生成2
3
mol
HNO 3
C ．全压法吸收NO 2比常压吸收NO 2得到的HNO 3溶液的浓度大
D ．工业上用Mg(NO 3)2做脱水剂由60%～70%的HNO 3溶液获得95%～100%的浓HNO 3 【解析】 由于NH 3与O 2反应生成NO 、N 2、N 2O 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 3生成NO 的速率，来提高NO 的产率。分析整个过程，从理论上说，由于充入了过量的O 2，使得反应循环进行，1 mol NH 3能生成1 mol HNO 3。常压吸收NO 2得HNO 3的质量分数低于50%的稀HNO 3，全压吸收NO 2后，HNO 3的质量分数可达60%～70%。
【答案】 B
4．(双选)在氨氧化法制硝酸中，二氧化氮的吸收反应如下：3NO 2＋H 2O
2HNO 3＋NO(正
反应为放热反应)为了提高硝酸的产率，应该采取的措施是( )
A ．降低温度
B ．升高温度
C ．减小压强
D ．增大压强
【解析】 该平衡为正反应气体体积缩小的放热反应，故增大压强、降低温度可使平衡向右移动，提高硝酸的产率。
【答案】 AD
5．汽车尾气主要含有CO 2、CO 、SO 2、NO 及汽油、柴油等物质，这种尾气越来越成为城市空气污染的主要来源，必须予以治理。治理的方法之一是在汽车的排气管上装一个“催化转化器”(用铂、钯合金做催化剂)。它的特点是使CO 与NO 反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使汽油、柴油等物质充分燃烧及SO 2的转化。
(1)写出CO 与NO 反应的化学方程式：__________。 (2)控制或者减少城市汽车尾气污染的方法可以有__。 A ．开发氢能源
B ．使用电动车
C ．限制车辆行驶
D ．戴上呼吸面具
【解析】 (1)题干中的信息，生成“参与大气生态环境循环的无毒气体”，即CO 2和N 2：2CO ＋2NO =====催化剂
N 2＋2CO 2。
(2)控制或减少汽车尾气污染，不是污染后再治理。 【答案】 (1)2CO ＋2NO =====催化剂
N 2＋2CO 2
(2)AB
1．下列气体能造成空气中光化学烟雾污染的是( ) A ．CO 2 B ．CO C ．NO 2 D ．氯气 【答案】 C
2．关于NO 的下列叙述不正确的是( ) A ．NO 可以是某些含低价N 元素物质被氧化的产物 B ．NO 不是亚硝酸酐
C ．NO 可以是某些含高价N 元素物质被还原的产物
D ．NO 是红棕色气体
【解析】 NO 中N 为＋2价，故NO 既有氧化性，又有还原性，可以为低价含N 物质失去
电子被氧化的产物，也可为高价含N物质得到电子被还原的产物。N2O3为亚硝酸酐。D项不正确，NO为无色。
【答案】 D
3．化工生产中的废气和汽车尾气的排放是造成大气污染的主要原因。下列气体经过处理后可用做燃料的是( )
A．硫酸工业尾气 B．硝酸工业尾气
C．汽车尾气 D．高炉煤气
【解析】各选项与主要污染物的对应关系是：A——二氧化硫、三氧化硫；B——一氧化氮、二氧化氮；C——一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮和烃；D——一氧化碳、二氧化碳。由于汽车尾气很分散，而目前甚至于今后一段时间内，将汽车尾气转化为燃料还不现实，故选D。
【答案】 D
4．(2013·淮北高二测试)在体积为V L的密闭容器中通入a mol NO和b mol O2。反应后容器内氮原子数和氧原子数之比为( )
A.a
b
B.
a
2b
C.
a
a＋2b
D.
a
2a＋b
【解析】根据原子守恒得答案为：a
a＋2b
。
【答案】 C
5．用铜锌合金制成的假金元宝骗人的事件屡有发生，下列不易区别其真伪的方法是( )
A．测定密度 B．放入硝酸中
C．观察外观 D．放入盐酸中
【解析】Au很不活泼，不溶于单一的酸溶液，Zn、Cu相对Au而言较活泼。从外观颜色上看假金元宝与真的相同，不易分辨，但从其成分而言，假的是铜锌合金，真的是纯度很高的金，Zn能溶于盐酸，Zn、Cu均能溶于硝酸，均有气泡产生，而Au则不与盐酸或硝酸反应；从密度而言，金的密度大于铜、锌的密度。
【答案】 C
6．大气污染是环境污染的一个重要方面，常见的大气污染物分一次污染物和二次污染物。二次污染物是排入环境中的一次污染物在物理化学因素或生物作用下发生变化，或与环境中的其他物质发生反应，生成新的污染物。如2NO＋O2===2NO2，NO2就是二次污染物，由NO2导致的污染就是NO的二次污染。下列物质：①SO2，②NO，③NO2，④氯化氢，⑤CO2，不易导致二次污染的是( )
A ．①②③④⑤ B．①③⑤ C ．④⑤ D．④
【解析】 SO 2在空气中能生成H 2SO 3，也能生成SO 3，易导致二次污染；NO 能生成NO 2造成二次污染；3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO ，其中HNO 3和NO 导致的污染为NO 2的二次污染；而HCl 不易造成二次污染(比较稳定)；CO 2不是污染物，也不会造成二次污染。
【答案】 C
7．下列反应既属于离子反应，又属于氧化还原反应的是( ) A ．4NH 3＋5O 2=====催化剂
高温4NO ＋6H 2O
B ．2NO ＋O 2===2NO 2
C ．3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO
D ．N 2O 3＋2NaOH===2NaNO 2＋H 2O
【解析】 A 、B 两项反应不属于离子反应；D 项反应不属于氧化还原反应。 【答案】 C
8．已知氮的氧化物跟NaOH 溶液发生的化学反应如下：2NO 2＋2NaOH===NaNO 3＋NaNO 2＋H 2O ，NO 2＋NO ＋2NaOH===2NaNO 2＋H 2O ，现有m mol NO 2和n mol NO 组成的混合气体，需用NaOH 溶液使其完全吸收至无气体剩余。已知NaOH 物质的量浓度为a mol ·L －1
，则需该NaOH 溶液的体积是( )
A.m a L
B.23a
L C.2
m ＋n 3a L D.m ＋n
a
L 【解析】 根据气体全部被吸收，生成的盐是NaNO 3和NaNO 2，可知钠原子的物质的量等于氮原子的物质的量，即n (NaOH)＝n (NO 2＋NO)＝(m ＋n )mol ，所以NaOH 溶液的体积为
m ＋n
a
L 。 【答案】 D
9．(2013·南阳高二测试)将20 mL 二氧化氮和氨气的混合气体，在一定条件下充分反应，化学方程式是6NO 2＋8NH 3
7N 2＋12H 2O ，已知参加反应的二氧化氮比氨气少2 mL(气体体积
均在相同状况下测定)，则原混合气体中二氧化氮和氨气的物质的量之比是：①3∶2 ②2∶3 ③3∶7 ④3∶4，正确的组合为( )
A ．①③ B．②③ C ．②④ D．①④
【解析】 注意到给予的反应为一可逆反应。NO 2、NH 3均不可能完全消耗。NO 2比NH 3少消耗了2 mL ，具体关系应该为NO 2消耗6 mL ，NH 3消耗8 mL ，两种物质共消耗了14 mL ，剩余6 mL ，