第二十四章 化学与工农业生产.docx
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第二十四章化学与工农业生产
高三化学一轮复习讲义
选修2化学与技术
课题
学案48化学与工农业生产
考纲导引
1.了解我国无机化工的生产资源和产品的主要种类。
2.了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义,认识催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义。
3.了解精细化工产品的生产特点,精细化工在社会发展中的作用。
4.了解化学肥料、农药等在农业生产中的作用。
重难点
1.硫酸生产中的有关化学原理
2.纯碱生产的对比工艺
复习过程
【课前预习】
一、硫酸工业
“一个中心”是以工业制硫酸的基本反应原理为中心反应原理S(或FeS2)→SO2→SO3→H2SO4,所用原料是黄铁矿(主要成分FeS2)、硫磺、空气、98%的硫酸为中心。
“五个三”是指掌握制硫酸生产过程:
(五个三:
三原料、三阶段、三方程、三设备、三净化和几项说明)
1.三原料
三种原料为__________、__________、____________。
2.三阶段
(1)SO2制取和净化;
(2)_________________:
SO3吸收和H2SO4的生成(SO3吸收)
3.三方程
(1)造气:
____________________或__________________________。
(2)接触氧化:
____________________________________________。
(3)三氧化硫的吸收:
____________________________。
4.三设备
三个主要设备为______、______、______。
5.三净化
炉气的三净化为:
___________________________.
6.几项说明
(1)矿尘、杂质:
易使催化剂“______”;水蒸气:
腐蚀设备、影响生产
(2)转化器内压强为常压。
原因是一是:
____________________________________________________________________________。
(3)实际用98%的浓硫酸吸收SO3,以免形成________,并提高SO3的吸收率。
二、合成氨工业
1.反应原理
N2+3H2
2NH3 ΔH<0
2.基本生产过程
(1)造气
①N2来源于空气
a.将空气__________、__________后蒸发分离出O2而获得N2;
b.将空气通过灼热的碳生成CO2,再除去CO2后得N2。
②H2来源于水和燃料(焦炭、煤、石油、天然气等)的反应,反应式为______________。
(2)净化
①原料气中的主要杂质:
H2S、CO、CO2、O2等。
②主要危害:
会导致催化剂中毒。
③净化方法:
a.H2S用______吸收,方程式:
____________________;
b.CO首先被氧化生成CO2,再被________________吸收,方程式为_________________、____________________________________。
(3)合成与分离
①设备:
________。
②氨的分离:
通过________将氨液化,然后将液氨分离,分离出来的混合气体经循环压缩机,再送到______中继续合成。
③流程:
原料气的制取→净化→压缩→
→液氨
3.合成氨条件的选择
温度:
________________;
压强:
________________;
催化剂:
以______为主的催化剂。
三、纯碱的生产(氨碱法)
1.原料:
。
2.生产过程
(1)在精制的饱和食盐水中通入氨气。
(2)将CO2通入氨化的饱和食盐水中,发生反应为:
______________________________
(3)过滤出NaHCO3,煅烧得到纯碱,发生反应为:
_________________________________。
同时在母液中加入石灰乳,以回收NH3并循环利用,发生反应为:
_______________________________________________________________________。
四、农药、化肥和表面活性剂
1.化肥为农作物补充必要的营养元素
(1)农业生产中,大量施用的化肥主要是______、______和______。
磷肥包括__________[主要成分是__________________],简称______,还有__________[主要成分是____________];钾肥主要包括______、______、______________、__________等;氮肥包括______________、__________、__________等。
(2)尿素的工业生产原理用化学方程式表示为________________,________________;硝酸铵工业生产方法为______________________________,________________________,________________________,________________________。
(3)复合肥料:
氮、磷、钾三种养分中,至少有两种养分。
常见的复合肥料有:
NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、KNO3、KH2PO4。
2.农作物的保护神——农药
(1)分类
①按成分分
a.第一代农药:
______和______,属于人类最早使
用的农药。
b.第二代农药:
________________等有机合成的农药。
c.第三代农药:
____________和__________等人类开发和利用的农药,它具有______、______、______的特点,故被称为“环境友好农药”。
②按用途分
a.杀虫剂,如有机氯类、有机磷类、拟除虫菊酯类等。
b.杀菌剂,如波尔多液等。
c.除草剂,如2,4-D等。
d.植物生长调节剂,如________、________等。
(2)危害
①对农产品造成污染,危及食品安全。
②破坏生物链,影响生态平衡。
③对环境造成严重污染,危及人类健康和生命安全。
3.肥皂
4.合成洗涤剂
洗涤剂的主要成分是表面活性剂(如十二烷基苯磺酸钠
),能够去除油污,里面还含有杀菌剂、织物柔软剂、助剂等辅助成分。
【预习检测】
1.下列说法不正确的是()
A.接触法制硫酸的主要步骤是造气、接触氧化和三氧化硫的吸收
B.硫酸厂应该建在靠近原料产地的地区
C.由于常压下SO2转化为SO2的转化率很高,所以SO2接触氧化时不采用高压的反应条件
D.工业“三废”的综合利用不仅减少污染,还获得有用的副产品
2.下列关于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20MPa~50MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大
3.与氨碱法比较,下列关于联合制碱法优点的判断中不正确的是()
A.提高了原料的原子利用率B.降低了生产成本
C.减少了环境污染D.减轻了对设备的腐蚀
4.下列使用化肥、农药的描述中正确的是()
A.高温多雨时比较适合施用钾肥
B.长期施用硫铵会造成土壤板结
C.石硫合剂必须与硫酸混合后才能施用
D.过磷酸钙必须经硫酸处理后才能施用
【课堂探究】探究点一硫酸生产中的有关化学原理
【讨论】1.为什么热交换器中管外是冷气体SO2、O2,管内是热气体SO3?
2.接触法制硫酸中,进入接触室的气体必须净化、干燥,其主要原因是?
3.硫酸生产中为什么不采用高压条件的方法提高SO2的转化率?
4.接触法制硫酸中为什么用98%的浓硫酸吸收SO3?
5.生产H2SO4质量分数为98%的H2SO41000t,如果硫的利用率为95%,消耗硫磺多少吨?
【例1】以黄铁矿为原料,采用接触法生产硫
酸的流程可简示如下:
请回答下列问题:
(1)在炉气制造中,生成SO2的化学方程式为_____________________________________________________________________________________________________________。
(2)炉气精制的作用是将含SO2的炉气______、_____
_及干燥,如果炉气不经过精制,对SO2催化氧化的影响是________________________________________________________。
(3)精制炉气(含SO2体积分数为7%、O2为11%、N2为82%)中SO2平衡转化率与温度及压强关系如下图所示。
在实际生产中,SO2催化氧化反应的条件选择常压、450℃左右(对应图中A点),而没有选择SO2转化率更高的B或C点对应的反应条件,其原因分别是__________________、______________________。
(4)在SO2催化氧化设备中设置热交换器的目的是______________、______________,从而充分利用能源。
探究点二纯碱的生产对比工艺
完成下列表格
氨碱法
联合制碱法
原料
原理
生产过程
①制备氨盐水
②通CO2析出NaHCO3晶体并煅烧NaHCO3得到Na2CO3
③向滤液中加入石灰乳回收氨气2NH4Cl+Ca(OH)2
CaCl2+2NH3↑+2H2O
①制备氨盐水
②通CO2析出NaHCO3晶体并煅烧NaHCO3得到Na2CO3
③向滤液中加入NaCl粉末并通入氨气析出NH4Cl,回收饱和食盐水
优点
缺点
【例2】联碱法(候氏制碱法)和氨碱法的生产流程简要表示如下图:
(1)沉淀池中发生反应的化学方程式中__________________________________________;
(2)X是________________,Y是____________(填化学式);
(3)Z中除了溶解的氨气、食盐外,其他溶质还有_______________;排出液中的溶质除了氢氧化钙外,还有________________。
(4)从理论上分析,在氨碱法生产过程中_______(填“需要”、“不需要”)补充氨气;从原料到产品,氨碱法总反应过程用化学方程式表示,可写成______________________________;
(5)根据联碱法中从母液中提取氯化铵晶体的过程推测,所得结论正确的是
a.常温时氯化铵的溶解度比氯化钠小
b.通入氨气目的是使氯化铵更多析出
c.加入食盐细粉目的是提高
的浓度,促进碳酸氢钠结晶析出
(6)联碱法中,每当通入
(标准状况下)时可以得到纯碱100.0g,则
的利用率________。
相比于氨碱法,指出联碱法的一项优点_____________________________。
【当堂检测】
1.下列关于硫酸工业生产过程的叙述错误的是()( )
A.在接触室中使用铁粉作催化剂
B.在接触室中运用热交换技术可充分利用能源
C.把硫铁矿磨成细粉末,可以提高原料的利用率
D.该反应采用450~500℃主要是因为该温度下催化剂活性好
2.工业生产中物质的循环利用有多种模式,如下图Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所示:
下列说法中正确的是()( )
A.图Ⅰ可用于合成氨中N2、H2的循环
B.图Ⅰ可用于氨碱法制纯碱中CO2的循环
C.图Ⅱ可用于电解饱和食盐水中NaCl的循环
D.图Ⅲ可用于氨氧化法制硝酸中NO的循环
3.下列说法中正确的是____________。
①2SO2+O2
2SO3在接触室中进行,增大压强平衡右移,SO2的转化率增大,所以接触室应该高压
②吸收塔中用水吸收SO3
③生产中通入沸腾炉及接触室中的氧气是纯氧
④生产中通入沸腾炉及接触室中的空气均过量
⑤整个工艺流程中在沸腾炉中产生SO2
⑥通入接触室的气体必须净化除杂
⑦热交换器可对生成气体冷却,对原料气体加热
4.下列说法中正确的是______。
①饱和NH4HCO3溶液与饱和NaCl溶液混合,可能会有白色沉淀生成
②氨碱法生产纯碱所发生的反应均是复分解反应
③联合制碱法与氨碱法生产纯碱所用的化学反应原理不同
④氨碱法生产纯碱过程中氨气没有循环利用,而我国化学家侯德榜发明的联合制碱法的过程中使氨气充分循环利用
⑤联合制碱法与氨碱法生产纯碱的不同点:
原料来源不同,副产物不同
⑥在生产纯碱的过程中,向饱和食盐水中先通入二氧化碳,再通入氨气
课后作业考试化
1.(2013杭州学军中学月考)工业上以硫铁矿为原料制硫酸所产生的尾气中含有SO2,为便于监控,实施环境保护,下列适合测定硫酸尾气SO2含量的试剂是()( )
A.品红溶液 B.浓硝酸
C.碘水、淀粉溶液D.以上都能
2.氨气是化肥工业的主要原料,要解决氨气的工业化生产,关键是解决氢气的来源问题。
下列最适用于工业制氢的方法是()( )
A.电解水制取氢气
B.用煤或焦炭制取氢气
C.用天然气制取氢气
D.用盐酸和金属反应制取氢气
3.下列有关化工生产的叙述中正确的是( )
A.将煤液化、气化,有利于提高燃料的燃烧效率,减少污染物的排放
B.侯氏制碱法,向饱和NaCl溶液中先通入CO2再通入氨气制取纯碱
C.电解精炼铜时,同一时间内阳极溶解铜的质量与阴极析出铜的质量相等
D.工业生产硫酸时,建立高烟囱可以降低地面SO2的浓度,减少空气污染
4.联合制碱法中关键的一步是把NH4Cl从几乎饱和的NaHCO3溶液中分离出来,为此根据NaCl和NH4Cl溶解度的差异,向混合溶液中通入某种气体,同时加入磨细的食盐,可析出不夹带NaHCO3的NH4Cl。
NaCl和NH4Cl共同存在时的溶解度曲线如图所示,以下操作正确的是
( )
选项
通入气体
温度控制
A
CO2
30~40℃
B
CO2
0~10℃
C
NH3
30~40℃
D
NH3
0~10℃
5.硫酸制造业中采取以下几种措施:
①改进煅烧黄铁矿的技术;②氧化二氧化硫时使用催化剂;③在氧化二氧化硫的设备中安装热交换器;④将二氧化硫进行多次循环氧化;⑤回收利用尾气中的二氧化硫。
其中能减少酸雨产生的措施是( )
A.①②④⑤ B.②③④⑤
C.①②③④⑤D.④⑤
6.某工厂用CaSO4、NH3、H2O、CO2制备(NH4)2SO4,其工艺流程如下:
下列推断不合理的是()
A.往甲中通CO2有利于(NH4)2SO4生成
B.生成1mol(NH4)2SO4至少消耗2NH3
C.CO2可被循环使用
D.直接蒸干滤液能得到纯净的(NH4)2SO4
7.下列说法中正确的是______。
①氮肥、磷肥、钾肥都是从地壳中贮量丰富的无机盐中获得的
②目前,农业上使用的氮肥大多数是从合成氨开始的
③波尔多液属于第二代农药
④DDT属于第二代农药,属于杀虫剂
⑤肥皂的生产原理属于酯的水解
8.化学肥料在农业生产中有重要作用。
农业生产中,大量施用的化肥主要是氮肥、磷肥、钾肥。
(1)普钙是磷肥,它的有效成分是__________(写化学式)。
(2)尿素是一种含氮量较高的氮肥,工业生产尿素是将氨气与二氧化碳在加压、加热的条件下反应生成氨基甲酸铵(H2NCOONH4),再使氨基甲酸铵脱水得到尿素。
反应的化学方程式为______________________、________________________。
(3)农谚说的“粪和灰,肥料飞”指的是粪尿与草木灰搅和在一起会降低肥效。
请你说明其中的化学原理:
______________________________________________
_______________。
(4)某化肥厂用NH3制备NH4NO3,已知由NH3制NO的产率是96%、NO制HNO3的产率是92%,则制HNO3所用去NH3的质量占耗用全部NH3质量的______%。
(5)合成氨气是生产氮肥的重要环节。
合成氨生产简易流程示意图如下:
从示意图可知其存在循环操作。
简要说明为什么在化工生产中经常采用循环操作?
9.(2011年·海南,化学)工业上可用食盐和石灰石为主要原料,经不同的方法生产纯碱。
请回答下列问题:
(1)路布兰法是以食盐、石灰石、浓硫酸、焦炭为原料,在高温下进行煅烧,再浸取、结晶而制得纯碱。
①食盐和浓硫酸反应的化学方程式为________;
②硫酸钠和焦炭、石灰石反应的化学方程式为____________(已知产物之一为CaS);
(2)氨碱法的工艺如下图所示,得到的碳酸氢钠经煅烧生成纯碱。
①图中的中间产物C是________,D是________。
(写化学式);
②装置乙中发生反应的化学方程式为________;
(3)联合制碱法对氨碱法的改进,其优点是________;
(4)有人认为碳酸氢钾与碳酸氢钠的化学性质相似,故也可用氨碱法以氯化钾和石灰石为原料制碳酸钾。
请结合下图的溶解度(S)随温度变化曲线,分析说明是否可行?
________。
10.硫酸是基础化学工业中重要产品之一,回答下列有关硫酸生产的几个问题:
(1)工业生产硫酸的原料为______________。
(2)催化氧化阶段选择的反应原理是________________,该反应为________反应(填“放热”或“吸热”),反应温度为400~500℃,选择此温度范围的理由是_______________。
(3)三氧化硫的吸收阶段选择吸收试剂为浓硫酸,为什么不用水?
_________________________________________________________________________。
11.洗衣粉的主要成分之一是烷基苯磺酸钠,常用的是十二烷基苯磺酸钠,其合成路线如下:
请回答下列问题:
(1)C12H25SO3Na分子中的亲水基是______,亲油基是__________。
(2)由十二烷基苯制取十二烷基苯磺酸的反应类型为____________。
(3)用油脂可以制肥皂,试写出从硬脂酸甘油酯生成硬脂酸钠
和甘油的化学方程式:
____________________,反应类型为______________。
(4)在洗涤剂中添加酶制剂能促进污垢中的蛋白质(如奶渍、肉汤)等水解为可溶性的物质而被除去。
将衣物在使用加酶洗衣粉的水溶液中浸泡10~30min,水温在40~50℃最佳。
加酶洗衣粉不宜在高温下、潮湿环境中贮存,也不宜久存。
为什么?
_________________
_。
(5)过去使用的合成洗涤剂中常加入三聚磷酸钠(Na5P3O10)作助剂,它可使硬度大的洗涤水软化,对微细的无机粒子或油脂具有分散、乳化、胶溶作用,防止污渍再次沉积到衣物上;它还能维持水溶液的弱碱性,提高洗涤剂的去污能力和洗涤效果。
但是,20世纪90年代以来,世界各国先后提出必须生产和使用无磷洗涤剂。
请解释原因___________
_________
_。
12.工业生产纯碱的工艺流程示意图如下:
请完成下列填空:
(1)粗盐水加入沉淀剂A、B除杂质(沉淀剂A来源于石灰窑厂),写出A、B的化学式
A.、B.___
(2)实验室提纯粗盐的实验操作依次为:
取样、_、沉淀、__、冷却结晶、过滤、烘干.
(3)工业生产纯碱工艺流程中,碳酸化时产生的现象是____.碳酸化时没有析出碳酸钠晶体,其原因是____________________________________________________.
(4)碳酸化后过滤,滤液D最主要的成分是(填写化学式),检验这一成分的阴离子的其体方法是:
______________________________________________
(5)氨碱法流程中氨是循环使用的,为此,滤液D加入石灰水产生氨.加石灰水后所发生的反应的离子方程式为:
_________________________________________________.
(6)产品纯碱中含有碳酸氢钠,如果用加热分解的方法测定纯碱中碳酸氢钠的质量分数,纯碱中碳酸氢钠的质量分数可表示为:
____(注明你的表达式中所用的有关符号的含义)
答案
【课前预习】
一、硫酸工业
1.硫黄(或黄铁矿) 空气 水
2.SO2转化为SO3(催化氧化)
3.
(1)S+O2
SO24FeS2+11O2
2Fe2O3+8SO2
(2)2SO2+O2
2SO3
(3)SO3+H2O===H2SO4
4.沸腾炉 接触室 吸收塔
5.除尘(矿尘)、洗涤(砷硒化合物)、干燥(水蒸气)
6.中毒常压时SO2的转化率已经很高,加压后其转化率提高不多;二是加压对设备的要求高,会增大投资和能量消耗酸雾
二、合成氨工业
2.
(1)加压 降温液化 C+H2O(g)
CO+H2,CO+H2O(g)
CO2+H2
(2)氨水 NH3·H2O+H2S===NH4HS+H2O K2CO3溶液 CO+H2O
CO2+H2 K2CO3+CO2+H2O===2KHCO3
(3)合成塔 冷凝器 合成塔
3.400~500℃ 10MPa~30MPa 铁
三、纯碱的生产(氨碱法)
1.碳酸钙和氯化钠、氨气
2.CO2+NH3+H2O+NaCl===NH4Cl+NaHCO3↓2NaHCO3
Na2CO3+CO2↑+H2O
2NH4Cl+Ca(OH)2
CaCl2+2NH3↑+2H2O
四、农药、化肥和表面活性剂
1.
(1)氮肥 磷肥 钾肥 过磷酸钙 Ca(H2PO4)2·H2O和CaSO4 普钙 钙镁磷肥 Ca3(PO4)2和Mg3(PO4)2 草木灰 KCl K2SO4 KNO3 尿素[CO(NH2)2] NH4NO3 NH4HCO3
(2)2NH3+CO2
H2NCOONH4 H2NCOONH4
H2NCONH2+H2O 4NH3+5O2
4NO+6H2O 2NO+O2===2NO2 3NO2+H2O===2HNO3+NO NH3+HNO3===NH4NO3
2.
(1)天然产物 无机物 有机氯类、有机磷类、氨基甲酸酯类 拟除虫菊酯类 特异性农药 高效 低毒 低残留 乙烯 乙烯利
【预习检测】
1.B2.B3.D4.B
【课堂探究】
例1.答案:
(1)4FeS2+11O2
2Fe2O3+8SO2
(2)除尘 水洗
矿尘,砷、硒等化合物使催化剂中毒,水蒸气对设备和生产有不良影响 (3)不选B点,因为压强越大设备的投资越大,消耗的能量越大;SO2原料的转化率在
0.1MPa时的转化率已比较理想,再提高压强,SO2的转化率提高的余地很小,所以采用0.1MPa 不选择C点,因为温度越低,SO2转化率虽然更高,但催化剂的催化作用受影响,450℃左右时,催化剂的催化效率最高。
故选择A点,不选C点
(4)利用反应放出的热量预热原料气体 上层反应气经热交换器温度降
到400~500℃进入下层使反应更加
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