(新)高中化学第一单元走进化学工业课题2人工固氮技术——合成氨学案新人教版选修21

课题2 人工固氮技术——合成氨

1．了解工业合成氨的基本原理、基本生产过程以及合成氨工业的发展。

2．了解工业获得合成氨的大量廉价原料气的方法，了解合成氨原料气循环利用的原理和重要意义。

3．了解工业合成氨与环境的关系。

德国化学家哈伯(1868—1934)一生从事化学研究，曾在1906年发明了氨的合成法，1908年又发明了合成氨的催化剂，为工业化生产奠定了基础。

思考：如何利用空气中的氮气来合成氮肥呢？

答案：氮气与氢气在高温、高压和催化剂条件下生成氨气，由氨气来合成氮肥。

一、合成氨的反应原理

1．反应的化学方程式

工业合成氨反应的化学方程式________________________________________。

2．反应的特点

(1)____________________反应；

(2)____________________反应；

(3)气体分子总数____________________的反应。

3．适宜化工生产条件的选择

温度：____________；压强：______________；催化剂：____________________。

自主思考：①合成氨反应中催化剂的主要作用是什么？②合成氨方案的主要优点是什么？

二、合成氨的基本生产过程

主要包括三个步骤：________、________、________。

1．制备合成氨的原料气

(1)制备氮气

方法一：__________________________。

方法二：________________________________。

(2)制备氢气

方法一：水蒸气与碳反应，化学方程式为__________________。

方法二：甲烷与水蒸气反应，化学方程式为______________________；____________________________。

2．原料气的净化

(1)除去H2S(用氨水)的化学方程式为______________________。

(2)除去CO的化学方程式为______________________，__________________________。

(3)精制原料气：用________、________和________配制成的溶液来吸收__________、________、______、________等少量有害气体。

自主思考：为什么对原料气进行净化？

3．氨的合成与分离

(1)氨的合成：净化后的原料气进入氨合成塔，在__________、__________和____________作用下合成氨。

(2)氨的分离：从合成塔出来的混合气体通过________使氨________，从而将氨分离出来。

自主思考：合成塔出来的混合气体中约含15%体积分数的氨，分离出氨后为什么要进行循环操作？

三、合成氨工业的发展

1．原料及原料气的净化

2．催化剂的改进

3．环境保护

废渣：用途为________________。

废气：主要是________和________等有害气体。

废液：主要是含________和含________的污水。

答案:1.N2＋3H22NH3

2．(1)可逆 (2)放热 (3)减小

3．400～500 ℃ 10～30 MPa 以铁为主的催化剂

自主思考

提示：①催化剂的主要作用是提高反应速率。

②合成氨方案的主要优点：反应物较易获得，通过改变反应条件可以提高氨的产率。

二、造气净化合成

1．(1)将空气液化后蒸发分离出氧气而获得氮气将空气中的氧气与碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳得到氮气

(2)C＋H2O CO＋H2 CH4＋H2O3H2＋CO CH4＋2H2O4H2＋CO2

2．(1)NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O

(2)CO＋H2O CO2＋H2 K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3

(3)醋酸铜氨 CO CO2 O2 H2S

自主思考

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所用的催化剂中毒而失去催化作用。

3．(1)高温 高压 催化剂 (2)冷凝器 液化

自主思考

提示：①合成氨反应转化率低，从合成塔出来的混合气体中氮气和氢气的含量较大；②循环操作的主要目的是充分利用原料、降低成本；③循环操作利于实现全封闭、连续化生产，利于减少工序、控制废物的排放。

三、3.建材和肥料的原料 H 2S CO 2 氰化物 氨

一、合成氨条件的选择

1．合成氨反应的特点

合成氨反应是一个可逆反应：N 2(g)＋3H 2(g)

2NH 3(g)。已知： 298 K 时，ΔH ＝－46.1 kJ·mol －1，ΔS ＝－99.5 J·K －1·mol －1。

ΔH －T ΔS ＝－46.1 kJ·mol －1－298 K×(－99.5×10－3 kJ·K －1·mol －1)＝－16.45

kJ·mol －1＜0

常温下，合成氨反应能自发进行，所以合成氨的反应特点：①所有的反应物和生成物都是气态，且该反应为可逆反应；②气体物质的量减少的熵减反应；③该反应的正反应是放热反应。

2．合成氨工业要求

(1)反应要有较大的反应速率；

(2)要最大限度地提高平衡混合物中NH 3的含量。

3．工业合成氨最佳条件的选择 反应条件 对化学反应

速率的影响 对平衡混合物中氨含量(体积分数)的

影响

合成氨条件的选择 增大压强 有利于增大化学反应速率 有利于提高平衡混

合物中氨的含量 增大压强，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等要求也高，因此，工业上一般采

用10～30 MPa 的压强

升高温度 有利于增大化学反应速率 不利于提高平衡混合物中氨的含量 升高温度，化学反应速率增大，

但不利于提高平衡混合物中氨

的含量，因此，合成氨时温度要

适宜，工业上一般采用400～

500 ℃左右的温度，在这个温度

时，铁触媒的活性也最大

使用催 化剂 有利于增大化学反应速率 没有影响

工业上一般采用铁触媒，使反应

能在较低温度下较快地进行 综上可知，要使合成氨的化学反应具有理想的反应速率和反应物的平衡转化率，要掌握合成氨化学反应本身的特点，运用化学反应速率和化学平衡原理，同时考虑合成氨生产中的