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合成氨工业联系含答案
第3讲 合成氨工业
【课标要求】
1、熟悉氮及其化合物的性质、用途
2、理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理,选择合成氨的适宜条件。
3、了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。
第1课时
学法指导:
抓住氮元素的单质(N2)及其化合物(NO、NO2、NH3、HNO3)的性质(以化合价为主线)学习氮族元素及化合物性质(写出相关的化学方程式)
一网:
二线:
三点:
一.氮气:
无色、无味难溶于水的气体,占空气体积78%,化学性质很稳定。
写出氮气与非金属(H2、O2)、金属(Mg)反应的方程式:
1、N2+3H2
2NH32、N2+O2
2NO
3、N2+3Mg
Mg3N2
二.氨气:
无色、有刺激性气味的气体。
易液化,易挥发,极易溶于水。
1、制取氨气的方法(用方程式表示)
①
,(只用这两种固体,不能用其它铵盐与碱)
②N2+3H2
2NH3
③NH4++OH—
NH3↑+H2O(浓氨水受热)
2、氨气的性质和用途
三、铵盐(NH4+)
1、铵盐常温下易溶于水,均为离子化合物。
2、铵盐受热都发生分解,不同物质、不同温度、分解产物有所不同。
写出NH4Cl受热分解的方程式:
NH4Cl
NH3↑+HCl↑
3、所有的铵盐和碱反应加热都生成NH3。
写出Ca(OH)2与NH4Cl反应方程式:
4、NH4+鉴别的常用试剂:
NaOH(不用氢氧化钙)
有关的离子方程式NH4++OH—
NH3↑+H2O
四.NO、NO2:
大气污染物
NO
NO2
物理性质
无色无味气体,难溶于水
红棕色气体,有刺激性气味易溶于水
化学性质
2NO+O2=2NO2
4NO+3O2+2H2O=4HNO3
3NO2+H2O=2HNO3+NO
4NO+O2+2H2O=4HNO3
制备方法
(写离子方程式)
3Cu+2NO3—+8H+=3Cu2++2NO↑+4H2O
Cu+2NO3—+4H+=Cu2++2NO2↑+2H2O
收集方法
排水集气法
向上排空气法
五.HNO3的性质
1、HNO3的物理性质:
纯净的硝酸无色油状液体,易挥发,与水以任意比互溶。
2、HNO3的化学性质:
六、氮族元素
氮族元素名称
氮
磷
砷
锑
铋
元素符号
N
P
As
Sb
Bi
原子结构
相同点
原子最外层都有5个电子
不同点
从N至Bi电子层数逐渐增加,原子半径依次增大
性质
相似性
主要化合价
—3、+3、+5
氢化物化学式
NH3
PH3
AsH3
――――
――――
最高价氧化物
N2O5
P2O5
As2O5
Sb2O5
Bi2O5
最高价氧化物对应水化物
HNO3
H3PO4
H3AsO4
Sb(OH)5
Bi(OH)5
递变性
金属性非金属性
从N到Bi,非金属性逐渐减弱,金属性逐渐增强
氢化物
氢化物稳定性逐渐减弱,氢化物还原性增强
最高氧化物水化物酸性
酸性逐渐减弱,碱性逐渐增强
例1:
在浓硝酸中加入铜片:
(1)开始反应的化学方程式为:
Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2H2O+2NO2↑
(2)若铜有剩余,则反应将要结束时的反应方程式是:
3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+4H2O+2NO↑
(3)待反应停止后,再加入少量25%的稀硫酸,这时铜片上又有气泡产生,其原因是:
)H2SO4提供H+,NO3-继续与Cu发生反应:
3Cu+8H++2NO3- ===3Cu2++2NO↑+4H2O
例2:
资料显示:
“氨气可在纯氧中安静燃烧……”。
某校化学小组学生设计如下装置(图中铁夹等夹持装置已略去)进行氨气与氧气在不同条件下反应的实验。
(1)用装置A制取纯净、干燥的氨气,大试管内碳酸盐的化学式是(NH4)2CO3[或NH4HCO3];碱石灰的作用是吸收水和二氧化碳。
(2)将产生的氨气与过量的氧气通到装置B(催化剂为铂石棉)中,用酒精喷灯加热:
①氨催化氧化的化学方程式是4NH3+5O2
4NO+6H2O;试管内气体变为红棕色,该反应的化学方程式是2NO+O2=2NO2;
②停止反应后,立即关闭B中两个活塞。
一段时间后,将试管浸入冰水中,试管内气体颜色变浅,请结合化学方程式说明原因2NO2(气)
N2O4(气)△H<0,降低温度使平衡正向移动,部分红棕色NO2转化为无色N2O4。
(3)将过量的氧气与A产生的氨气分别从a、b两管进气口通入到装置C中,并在b管上端点燃氨气:
①两气体通入的先后顺序是先通入O2,后通入NH3。
其理由是_若先通氨气,氨在空气中不能点燃,逸出造成污染;
②氨气燃烧的化学方程式是4NH3+3O2
2N2+6H2O
第3讲合成氨第1课时巩固练习
一、单选题
1、氮气与其他单质化合一般需高温,有时还需高压等条件,但金属锂在常温、常压下就能与氮气化合生成氮化锂,这是因为()
①此反应可能是吸热反应;②此反应可能是放热反应;③此反应前可能氮分子不必先分解为原子;④此反应前可能氮分子先分解成原子
A.①②B.②④C.②③D.①④
2、 起固氮作用的化学反应是()
A.氮与氢在一定条件下反应生成氨B.一氧化氮与氧气反应生成了二氧化氮
C.NH3催化氧化生成NOD.由NH3制成碳酸氢铵
3、据报导,科学家已成功合成了少量N4,有关N4的说法正确的是()
A.N4是N2的同素异形体B.N4是N2的同分异构体
C.相同质量的N4和N2所含原子个数比为1:
2D.N4的摩尔质量是56g
4、无色的混合气体甲,可能含NO、CO2、NO2、NH3、N2中的几种,将100mL甲气体经过下图实验的处理,结果得到酸性溶液,而几乎无气体剩余,则甲气体的组成为( )
A.NH3、NO2、N2B.NH3、NO、CO2C.NH3、NO2、CO2D.NO、CO2、N2
5、四支试管中分别充满NO、SO2、NO2、Cl2中的一种,把它们分别倒立于盛有水的水槽中,充分放置后的现象如下图所示.其中原试管充满NO2的是( B )
6、下列说法正确的是( )
A.CO、NO、NO2都是大气污染气体,在空气中都能稳定存在
B.NO可用于某些疾病的治疗
C.NO2通入FeSO4溶液中始终无明显现象
D.汽车尾气的主要污染成分包括NO、CO和N2
7、如图所示,试管中盛装的是红棕色气体(可能是混合物),当倒扣在盛有水的水槽中时,试管内水面上升,
但不能充满试管,当向试管内鼓入氧气后,可以观察到试管中水柱继续上升,经过多次重复后,试管内完全被水充满,原来试管中盛装的气体是( )
A.可能是N2与NO2的混合气体B.只能是O2与NO2的混合气体
C.可能是NO与NO2的混合气体D.只能是NO2一种气体
8、有关氨气的实
验较多,下面对这些实验原理的分析中,正确的是( )
A.氨气极易溶于水,可以用来做喷泉实验
B.氨气的还原性可以解释氨气与氯化氢的反应实验
C.NH3·H2O不稳定,实验室可用NH4Cl和石灰水制取氨气
D.NH3液化时放出大量热,因而,不能用氨作制冷剂
9、氯化铵和氯化钠可用下列哪一种方法分离( )
A.加入氢氧化钠B.加入AgNO3溶液C.加热法D.加入一种合适的酸
10、下列不属于铵盐的共同性质的是( )
A.易溶于水B.与苛性钠共热产生NH3C.都是晶体D.受热分解都产生NH3
铵盐受热都易分解,其中以氯化铵较为简单,其他铵盐分解情况比较复杂,如硫酸铵在100℃时,有氨和硫酸氢铵生成,强热时则有NH3,SO2,H2O及N2生成(即发生了一系列氧化还原反应):
硝酸铵受热时,在不同温度下有不同产物,有NH3,N2,N2O,HNO2和H2O等。
11、下列反应中,硝酸既表现了氧化性又表现了酸性的是( )
A.C+浓HNO3B.Cu+稀HNO3C.CuO+浓HNO3D.NaOH+HNO3
硝酸参与的反应中若产物中有硝酸的盐生成则体现了硝酸的酸性;若反应物有还原性,则能体现硝酸的还原性。
12、在标准状况下将1.92g铜粉投入一定量浓HNO3中,随着铜粉的溶解,反应生成的气体颜色逐渐变浅,当铜粉完全溶解后共收集到由NO2和NO组成的混合气体1.12L,则混合气体中NO的体积为( )
A.112mLB.1008mLC.224mLD.448mL
解有关金属与HNO3反应的题目时充分利用守恒思想:
①利用氮原子守恒得:
n(NO)+n(NO2)==0.05mol ②利用电子转移守恒得:
n(NO)×3+n(NO2)×1=n(Cu)×2,即n(NO)×3+n(NO2)×1=×2,解得
则V(NO)=112mL
13、取三张蓝色石蕊试纸置于表面皿上,然后按顺序滴加65%的硝酸,98.3%的硫酸和新制氯水,三张试纸最终呈现的颜色是( )
A.白红白B.红黑红C.红红红D.白黑白
二、双选题
14、下列物质与水作用形成的溶液能与NH4Cl反应生成NH3的是()
A.二氧化氮B.钠C.Ca(OH)2D.二氧化硅
15、一下列叙述正确的是()
A.检验某稀溶液中是否含有NO3-,可先将溶液浓缩,然后加入浓H2SO2和铜片,观察有无红棕色气体产生
B.鉴别NO2和溴蒸气可用AgNO3溶液,而不能用淀粉KI溶液
C.向H3PO4溶液中加入AgNO3溶液,观察有黄色沉淀生成,证明有PO43-存在
D.检验溶液中是否含NH4+,可加入足量NaOH溶液,加热,再用湿润的红色石蕊试纸伸入试管内检验是否变蓝。
三、填空题
16、如图是用浓硝酸、铜片、水等试剂探究浓、稀硝酸的强氧化性并观察还原产物的实验装置。
Ⅰ.浓硝酸的强氧化性实验
将铜片置于具支试管的底部,在分液漏斗中加入约5mL浓硝酸,往具支试管中放入约2mL浓硝酸,用排水法收集产生的气体。
(1)具支试管中发生反应的化学方程式:
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
(2)实验中观察到能证明浓硝酸具有强氧化性的现象铜片逐渐溶解,溶液变蓝,放出红棕色气体。
Ⅱ.稀硝酸的强氧化性实验
(3)上述反应完成后,欲进一步证明稀硝酸也具有强氧化性,紧接的简便、合理的实验操作是往分液漏斗中加水稀释浓硝酸,打开活塞,放入稀硝酸。
(4)能证明稀硝酸与铜反应产生NO的实验现象是C(填写序号)。
A.c中收集到无色气体B.c中收集到的无色气体接触空气后变为红棕色
C.b中产生的无色气体接触空气后变为红棕色
Ⅲ.实验反思
(5)利用该装置先进行铜与浓硝酸反应,再进行铜与稀硝酸反应的实验,其好处是利用Cu与浓硝酸反应生成的NO2排出具支试管中的空气,有利于观察Cu与稀硝酸的反应产物。
17、有甲、乙两位同学想利用下列装置及化学试剂,对实验室制取并收集氨气的实验进行改进。
化学试剂:
①NH4Cl固体、②浓氨水、③固体NaOH
(1)甲同学想方便快速制取少量氨气,应选择的装置是B(填序号),选用试剂是②③(填序号)。
选用上述试剂制氨气的理由是NaOH固体遇水放热,使氨气的溶解度降低,同时可使溶液中c(OH-)增大,促使NH4++OH-
NH3·H2O
NH3+H2O平衡向右移动,从而使氨气
逸出;
实验过程中,制气时的实验操作是将浓氨水逐滴滴加到NaOH固体上。
(2)乙同学建议,把教材中实验室制取氨气的收集装置由大试管改为集气瓶且瓶口向上收集氨气,并确保不污染环境,请你根据其设想回答:
①若用排气法收集氨气,请在方框内画出其气体收集装置
和尾气吸收装置,标出所用试剂(自选)名称。
②若用排液集气法收集NH3,可选用的试剂是C(填序号)。
A.H2OB.浓H2SO4C.CCl4D.饱和NaCl溶液
18、用下列仪器、药品验证由铜和适量浓硝酸反应产生的气体中含NO(仪器可选择使用,N2和O2的用量可自由控制)。
已知:
①NO+NO2+2OH-=2NO2-+H2O②气体液化温度:
NO221℃NO:
-152℃
试回答:
(1)仪器的连接顺序(按左→右连接,填各接口的编号)为1,4,5,10,11,6,7,2(10和11可以颠倒);
(2)反应前先通入N2,目的是驱赶装置中空气,防止反应产生的NO被氧化;
(3)确认气体中含NO的现象是通入O2后装置D中有红棕色气体生成;
(4)装置F的作用是分离NO和NO2(或使NO2液化);
(5)若O2过量则装置B中发生反应的化学方程式为4NO2+O2+4NaOH→4NaNO3+2H2O
第3讲 合成氨工业
第2课时
一、合成氨的反应原理
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g);ΔH<0
二、合成氨的生产过程
工业合成氨包括造气、气体净化、氨的合成三个阶段。
1、原料气的制备(即造气)
(1)、N2来源于空气:
一是将空气液化后蒸发分离出氧气而获得氮气;另一是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)、H2来源于水和碳氢化合物:
C与H2O反应生成水煤气:
C+H2O(g)
CO+H2
CO与H2O作用生成CO2:
CO+H2O
CO2+H2
碳氢化合物与H2O反应生成H2:
CH4+H2O
3H2+CO;
CH4+2H2O
4H2+CO2
该方法主要是利用石油、天然气、焦炉气、炼厂气等含有的大量碳氢化合物,使工业废气得以充分利用。
2、原料气的净化
为了防止杂质引起催化剂中毒,合成氨的过程中必须除去原料气体中的杂质气体,这就是原料气的净化。
(1)、H2S为酸性气体杂质,可用稀氨水;吸收; NH3·H2O+H2S=NH4HS+H2O
(2)、CO可被氧化剂氧化为CO2,如CO与水蒸气反应; CO+H2O=CO2+H2
(3)、CO2可用K2CO3溶液吸收除去; CO2+K2CO3+H2O=2KHCO3
最后,原料气还要经过精制处理,如用醋酸、铜、氨配制成的溶液来吸收CO2、CO、O2、H2S等少量有害气体。
3、氨的合成与分离
合成氨生产的简易流程示意图为:
从合成塔出来的混合气体,通常约含15%(体积分数)的氨。
对未反应的N2、H2又循环操作,从而提高原料的利用率,这是工业生产经常使用的方法。
三、合成氨的生产条件
从化学平衡移动原理分析,低温、高压有利于平衡向生成NH3的方向移动,但温度低时反应速率慢,催化剂的催化作用弱,故一般温度在400℃~500℃之间,压强为10Mpa~30MpaMpa,采用以铁为主的催化剂。
四、合成氨工业的发展及三废处理
1、原料气的制取和净化:
制氢气的工艺和技术成为研究的主要课题。
2、催化剂的改进:
如何找到廉价易得的催化剂又是科学家们探讨的问题。
3、环境保护:
(1)废渣大都用作建材和肥料的原料。
(2)废气中H2S可采用直接氧化法和循环法等回收技术。
CO2可作为尿素和碳铵的生产原料。
(3)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。
处理含氨废水多用蒸馏的方法回收氨,也可用离子交换法治理。
例1、在一定条件下,合成氨反应达到平衡后,混合气体中NH3的体积分数为25%。
若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是( A )
A、1/5 B、1/4 C、1/3 D、1/2
例2、合成氨工业中,原料气(N2、H2及少量的CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO,其反应为:
[Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3
[Cu(NH3)3]Ac·CO;△H<0
(1)必须除去原料气中CO的原因是除CO的原因是防止合成塔中的催化剂中毒。
(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)吸收CO的生产适宜条件是吸收CO的适宜条件应选择:
低温、高压。
(3)吸收CO后的醋酸铜氨液经过适当处理后又可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用。
醋酸铜氨溶液再生的适宜条件应是:
高温、低压。
例3:
合成氨反应在工业生产中的大量运用,满足了人口的急剧增长对粮食的需求,也为有机合成提供了足够的原料——氨。
合成氨反应是一个可逆反应:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)。
在298K时:
ΔH=-92.2kJ·mol-1,K=4.1×106(mol·L-1)-2。
(1)从平衡常数来看,反应的限度已经很大了,为什么还需要使用催化剂?
对于一个实际工业生产的反应原理,既要考虑反应的限度问题,也要考虑反应的速率问题,使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反应速率,提高单位时间内产物的产量;
________________________________________________________________________。
(2)试分析实际工业生产中采取700K左右的温度的原因:
在该温度下,催化剂的活性最高,反应速率较大,反应的限度虽然有所降低,但综合分析,单位时间内的产量还是最理想的;。
(3)298K,1.01×105Pa,在10L密闭容器中充入10mol氮气、30mol氢气和20mol氨气,开始的瞬间,反应向正(填“正”或“逆”)方向进行,反应进行5min后体系能量的变化为放出(填“吸收”或“放出”)184.4kJ,容器内压强变为原来的14/15倍。
(4)从开始至第5min时,用N2浓度变化表示该反应的平均速率为:
0.04mol·L-1·min-1
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