化学大一轮复习专题十二 第2讲

第2讲从自然资源到化学品

[考纲要求] 1.了解合成氨的主要原理、重要设备及生产流程。了解催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义。2.了解氯碱工业产品的主要用途。了解电解食盐水的基本原理。了解食盐水电解工艺和主要设备。3.了解接触法制硫酸的生产工艺、各阶段反应的主要设备。了解硫酸工业中“三废”(废气、废水、废渣)的治理和综合利用。4.了解从海水中提取镁、从铝土矿中提取铝的过程和原理，了解铝制品及镁铝合金的广泛应用。

考点一氨的合成

1.氨的工业合成

(1)生产原理：N2(g)＋3H2(g)高温、高压

2NH3(g)ΔH(298 K)＝－92.4 kJ·mol－1，该反应是气

催化剂

体体积减小(填“增大”或“减小”)、放热(填“放热”或“吸热”)的可逆反应。

(2)合成氨适宜条件的选择

在实际生产中，需要考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量与设备等多方面情况，以确定最佳的生产条件。

①温度：400～500_℃；压强：20～50_MPa；催化剂：以铁触媒为主的催化剂。

②合成氨的转化率较低，要采用循环操作。氨液化分离后，没有完全反应的N2和H2经过循环压缩机再送入合成塔被充分利用。

(3)基本生产过程

2.合成塔是合成氨的关键设备，它有不同类型，其内部结构有所差异。下图是现代常用的一种合成塔构造。

请观察上图，思考以下两个问题。

(1)工业上从上到下将催化剂分成四层，在层与层之间冷激气和反应气混合。从平衡理论的角度解释这样设计的原因。

答案由于N2(g)＋3H2(g)500 ℃

2NH3(g)

催化剂、高压

ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，冷激气与反应气混合，能及时降低反应混合气的温度，同时增大反应物的浓度，有利于平衡向右移动，提高氨气的产率。

(2)对照合成塔说明原料气在合成塔中的流向，请从能量利用的角度说明这样设计的理由。答案原料气从塔底进入，向上流经外筒的环隙，至顶端后再进入热交换器。折流向下的气体穿过热交换器的管间(管与管之间的间隙)，被加热到400 ℃左右进入第一层催化剂，经反应后温度上升到500 ℃左右。在第一、二层间，反应气与冷的原料气(工业上称之为“冷激气”)混合后进入第二层催化剂，以此类推，最后的气体从第四层催化剂底部排出，折流向上穿过中心管，再经热交换器的管内换热后自塔顶排出塔外。

把反应时生成的热传给需预热的气体，能充分利用能量，并能冷却反应后生成的气体。

1.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17.5～20 MPa 的高压和500 ℃左右的高温下，并用锇作为催化剂，氨在平衡混合物中的含量仍较少。最近英国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为trans——Fe(DMeOPrPE)2的新催化剂，在常温下合成氨，反应方程式可表示为N2＋3H2催化剂2NH3，下列有关说法正确的是

()

①哈伯法合成氨是吸热反应，新法合成氨是放热反应②新法合成氨不需要在高温条件下进行，可节约大量能源，具有发展前景③新法合成氨能在常温下进行是因为不需要断裂化学键④新催化剂降低了反应所需要的能量，提高了活化分子百分数

A.①③

B.②④

C.①②③

D.②

答案 B

解析化学反应是放热还是吸热与反应途径无关，只与始、终态有关，故①错；新催化剂只是降低了反应所需要的能量，仍需要断开化学键，故③错。

2.(2012·海南，20－Ⅱ)合成氨的流程示意图如下：

回答下列问题：

(1)工业合成氨的原料是氮气和氢气。氮气是从空气中分离出来的，通常使用的两种分离方法是__________，________；氢气的来源是水和碳氢化合物，写出分别采用煤和天然气为原料制取氢气的化学反应方程式________________，______________；

(2)设备A中含有电加热器、触媒和热交换器，设备A的名称是________，其中发生的化学反应方程式为___________________________________________________；

(3)设备B的名称是__________，其中m和n是两个通水口，入水口是________(填“m”或“n”)。不宜从相反方向通水的原因是_____________________________________；(4)设备C的作用是____________；

(5)在原料气制备过程中混有的CO 对催化剂有毒害作用，欲除去原料气中的CO ，可通过如下反应来实现：

CO(g)＋H 2O(g)CO 2(g)＋H 2(g)

已知1 000 K 时该反应的平衡常数K ＝0.627，若要使CO 的转化率超过90%，则起始物中c (H 2O)∶c (CO)不低于__________。

答案 (1)液化、分馏 与碳反应后除去CO 2 C ＋H 2O=====高温CO ＋H 2 CH 4＋H 2O=====高温催化剂CO ＋3H 2

(2)合成(氨)塔 N 2(g)＋3H 2(g)高温、高压

催化剂2NH 3(g)

(3)冷凝器(或冷却塔) n 高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好

(4)将液氨与未反应的原料气分离

(5)13.8

解析 (5)以转化率为90%为基准做计算，用平衡常数求水与一氧化碳浓度比。

设CO 、H 2O 起始浓度分别为x 、y mol·L －1

CO(g)＋H 2O(g)CO 2(g)＋H 2(g)

c 起/mol·L －1 x y 0 0

c 变/mol·L －1 0.9x 0.9x 0.9x 0.9x

c 平/mol·L －1 0.1x y －0.9x 0.9x 0.9x

K ＝(0.9x )2

0.1x (y －0.9x )

＝0.627 y ∶x ≈13.8。只要水更多一些，则转化率会超过90%。

考点二 氯碱生产

1.原料：精制饱和NaCl 溶液

2.原理：2NaCl ＋2H 2O 通电,2NaOH ＋H 2↑＋Cl 2↑

3.生产流程：

4.主要设备：(阳)离子交换膜电解槽 阳离子交换膜的作用：将电解槽隔成阴极室和阳极室。它只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过，既防止阴极产生的H 2和阳极产生的Cl 2混合而引起爆炸，又避免了Cl 2和NaOH 溶液作用生成NaClO 而影响NaOH 溶液的质量。

5.粗盐的精制

(1)目的：除去泥沙，使Ca 2＋、Mg 2＋、SO 2－

4等离子的含量达到要求。

(2)工艺流程

粗盐水沉淀剂,过滤加适量稀盐酸,离子交换树脂―→精盐水。

(3)试剂：BaCl 2、Ca(OH)2、Na 2CO 3、稀盐酸

用BaCl 2除去SO 2－4，用Ca(OH)2除去Mg 2＋、Fe 3＋，用Na 2CO 3除去Ba 2＋和Ca 2＋，用稀盐