人教版高中化学选修2第4课时《合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展》word导学案.docx

人教版高中化学选修2第4课时《合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展》word导学案.docx

《人教版高中化学选修2第4课时《合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展》word导学案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《人教版高中化学选修2第4课时《合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展》word导学案.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

人教版高中化学选修2第4课时《合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展》word导学案

2017人教版高中化学选修2第4课时《合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展》word导学案

学案

【学习目标】

1.了解合成氨生产的一样流程和反应原理、反应条件。

2.了解实验研究与实际生产之间的转化。

3.了解合成氨的进展

4.了解合成氨工业的三废处理。

【重点难点】

1.合成氨的要紧原理、原料、重要设备、流程和意义

2.利用所学的化学反应速率和化学平稳理论讲明合成氨中的有关咨询题。

课前预习

【情形材料】在让合成氨的工艺走出实验室实验工业化学生产的过程中，德国化学工程师博施作出了重大奉献，他通过大量试验，找到较为理想的铁催化剂，设计并建筑了能够耐高温、高压的合成氨装置。

1910年，德国建立了世界上第一座合成氨试验厂，1913年，又建立了生产规模的合成氨厂。

从此以后，合成氨工业便迅速进展起来。

工业上是如何合成氨的？

【预习内容】

按照教材有关内容填写下列空白：

一、合成氨的差不多生产过程

合成氨的差不多生产过程要紧包括三个步骤：

、、。

1.原料气的制备

（1）氮气的制备

①物理方法：

②化学方法：

将空气中的氧气与作用生成，再除去。

（2）氢气的制备

①碳与水蒸气的反应，用方程式表示为：

。

②水蒸气与碳氢化合物的反应，用方程式表示为：

，

。

2.原料气的净化

（1）含义：

原料气的净化是指，目的是。

（2）净化方法

①H2S的除去，用方程式表示为：

；

②CO的除去，用方程式表示为：

；

③CO2的除去，用方程式表示为：

。

3.氨的合成与分离

（1）氨的合成：

将净化后的原料气加压送进，在适宜条件下充分反应制取氨。

（2）从合成塔出来的混合气体，其中氨气占总体积的15%，要把混合气体通过使氨液化，再导入。

二、合成氨工业的进展

1.原料及原料气的净化

原料气之一的氮气来自，现在氢气要紧通过不同的态可燃物（煤和焦炭）、态可燃物（石油提炼后的石脑油、重油）、态可燃物（天然气、焦炉气）为原料。

2.催化剂的改进

多年来一直用作催化剂，目前有采纳为基础活性物质的新型催化剂。

3.环境爱护

（l）废渣：

可用作的原料。

（2）废气：

要紧是和等有害气体，对H2S的处理，先后采纳直截了当法（选择性催化氧化）、法（用溶剂吸取浓缩，CO2也可用来生产和等。

（3）废液：

要紧是含和含的污水，处理含氰化物要紧用、加压、分解、、沉淀、回炉等方法；处理氨废水可用的方法回收氨气，也可用治理。

预习内容答案

一、造气（制备合成氨的原料气）；净化（原料气净化处理）；

合成（使原料气进行化学反应合成氨）。

1.液态空气液氮液氧碳二氧化碳二氧化碳C＋H2O

CO＋H2

CH4＋H2O

3H2＋COCH4＋H2O

4H2＋CO2

2.除去原料中杂质的过程防止催化剂中毒

H2S＋NH3·H2O===NH4HS＋H2OCO＋H2O

CO2＋H2

K2CO3＋CO2＋H2O=2KHCO3

3.合成塔冷凝器液氨贮罐

二、1．空气固液气

2．磁铁矿钌

3．

（1）建材和肥料

（2）H2SCO2氧化循环尿素碳铵

（3）氰化物氨生化水解氧化化学反吹蒸馏离子交换法

堂中互动

【咨询题探究1】合成氨的原料气是如何制备的？

【教师点拨】原料制备路线的选择，应综合考虑资源、工艺、能耗、成本、环境等重要因从素。

分析解答:

制备合成氨的原料气

氮气：

合成氨所需要的氮气都取自空气。

从空气中制取氮气通常有两种方法：

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。

氢气：

氢气则来源于水和碳氢化合物。

能够将水蒸气通过赤热的煤（或焦炭）层，使水蒸气与碳发生化学反应生成一氧化碳和氢气：

C＋H2O

CO＋H2。

【即学即练1】合成氨所需的原料是（　　）

①水　②空气　③焦炭　④铁触媒

A.①②　B.②③C.①②③D.全部

1.C【解析】铁触媒是合成氨的催化剂，不属于原料。

【咨询题探究2】原料气在合成氨之前为何进行净化？

如何净化？

氨的合成与分离是如何进行的？

【教师点拨】①一氧化碳的变换具有重要的意义：

一是提升了燃料的利用率和氢气的产率；二是解决了氢气中的杂质难以除去的咨询题。

②在原料气净化的最后，还要将原料气作精制处理使杂质的含量减少到最低程度。

常用的方法之一是用醋酸、铜和氨配成的溶液来吸取H2S、CO、CO2、O2等杂质。

③将氨从反应混合物中分离出来，利用的原理是氨易液化，氮气和氢气难液化，采纳的方法是将混合气体通过冷凝器使氨液化。

循环操作的要紧目的在于充分地利用原料、降低成本；从工艺设计以及环境爱护角度来讲，循环操作有利于实现全封闭、连续化生产，有利于减少工序、操纵废弃物的排放，因此，循循环操作常常成为化学工艺设计时重点考虑的咨询题。

分析解答：

原料气的净化

①对原料气净化的缘故：

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”，因此必须除去，这一过程称为原料气的净化。

②吸取H2S：

用稀氨水吸取H2S杂质：

NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O。

③除去CO：

制造原料气过程中产生的CO必须变成CO2除去。

工业生产中在催化剂（如Fe2O3和CuO等）作用下，一氧化碳能够与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气：

CO＋H2O=CO2＋H2，生成的二氧化碳常采纳K2CO3溶液吸取：

K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。

④精制原料气：

用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸取CO、CO2、O2、H2S等少量有害气体，进行精制处理。

（2）为了使氨从没有反应的氮气和氢气里分离出来，要把混合气体通过冷凝器使氨液化，然后在气体分离器里把液态氨分离出来导入液氨贮罐。

由气体分离器出来的气体，通过循环压缩机，再送到合成塔中进行反应。

【即学即练2】下图是合成氨的简要流程示意图：

（1）写出所含要紧物质的化学式：

A___________，B_________，C__________，D_________。

（2）写出设备名称：

D____________，E_________。

2.

（1）A.N2、H2B.NH3C.N2、H2D.NH3、N2、H2

（2）合成塔分离器

【解析】合成氨的过程是将原料气（氮气、氢气）压缩后送入合成塔内进行反应，然后冷却，在分离器的作用下，将液氨分离出来，剩余的气体（氮气和氢气）再进入合成塔内合成，如此循环利用，可提升产率。

【咨询题探究3】联合生产是指在整个生产过程中生产多种产品。

按照合成氨的生产过程，请举例讲明合成氨工业能够进行哪些联合生产或深加工？

【教师点拨】联合生产能够使原料、产品等物料得到充分的利用，减少物流交通所耗费的人力、物力，降低产品的成本。

能够实现能量和设备等资源、技术的共享，也是绿色化学工艺改进的一条重要思路。

分析解答：

从经济角度，联合生产有可能实现大规模生产，以求得规模效益和综合效益的最大化。

例如，合成氨与硝铵、碳铵等氮肥生产：

的联合，石油精炼厂与合成洗涤剂厂的联合生产等。

【即学即练3】氨在国民经济中占有重要的地位。

现在约有80%的氨用来制造化肥，其余的用作生产其他化工产品的原料。

例如，农业上使用的氮肥如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混合肥料和复合肥料，差不多上以氨为原料制成的；氨氧化法制硝酸是工业上制硝酸的要紧方法。

（1）关于合成氨的反应来讲，使用催化剂和施以高压，下列叙述中正确的是（　　）

A.都能提升反应速率，都对化学平稳状态无阻碍

B.都对化学平稳状态有阻碍，都不阻碍达到平稳状态所用的时刻

C.都能缩短达到平稳状态所用时刻，只有压强对化学平稳状态有阻碍

D.催化剂能缩短反应达到平稳状态所用时刻，而压强无此作用

（2）综合考虑各种因素，在实际生产中，合成氨一样选择以________为催化剂，压强在________之间，温度在________左右。

（3）要实现合成氨的工业化生产，第一要解决氢气和氮气的来源咨询题。

氢气的制取可有以下几条途径：

①电解水制取氢气，②由煤或焦炭来制取氢气，③由天然气或重油制取氢气。

你认为哪种方法是最佳选择？

________（填序号），其反应的化学方程式为_________________________________。

（4）硝酸厂的尾气中含有NO和NO2等污染物，为了防止污染大气能够用烧碱溶液吸取从吸取塔中放出的尾气，发生的反应如下：

2NaOH＋NO＋NO2===2NaNO2＋H2O2NaOH＋2NO2===NaNO2＋NaNO3＋H2O

但在实际生产中常用纯碱代替烧碱，也能发生类似的反应，且放出CO2，试写出用纯碱溶液吸取NO和NO2的两个反应的化学方程式：

①_______________________________；

②______________________________________。

3.

（1）C　

（2）铁触媒　20～50MPa　500℃

（3）③　CH4＋H2O

CO＋3H2　CO＋H2O

CO2＋H2

（4）①Na2CO3＋NO＋NO2===2NaNO2＋CO2

②Na2CO3＋2NO2===NaNO2＋NaNO3＋CO2

【解析】

（1）对合成氨的反应，催化剂只能提升反应速率，不能使化学平稳发生移动；高压能提升化学反应速率，也能使化学平稳向生成氨的方向移动。

（3）电解水制氢气，电能消耗大，成本高；煤作原料，能源消耗大，污染大。

天然气作为洁净燃料，便于管道运输，有投资省、能耗低的优点。

练案

A组（课堂反馈满分50分）

一、选择题（每小题5分，共35分）

1.油炸虾条、薯片等易碎的食品，不宜选用真空袋装而应采纳充气袋装。

在实际生产中，充入此类食品袋的是下列气体中的（）

A.氧气B.二氧化碳C.空气D.氮气

1.D【解析】易碎食品在储存的时候要注意防氧化和抗挤压。

在食品袋中冲入氮气既能够防挤压又能够防氧化。

2.制备干燥氨气所需的药品是（   ）

A.NH4Cl溶液，NaOH溶液，熟石灰B.饱和氨水

C.NaOH溶液，NH4Cl晶体，浓硫酸D.NH4Cl固体，碱石灰，消石灰

2.D【解析】NH4Cl固体和消石灰混合加热生成NH3，碱石灰吸取水，可得到干燥的氨气。

3.合成氨工业有下列流程：

①原料气制备；②氨的合成；③原料气净化和压缩；④氨的分离。

其先后顺序为（   ）

A.①②③④     　B.①③②④     C.④③②①    　D.②③④①

3.B【解析】关于合成氨工业工艺流程，第一制取原料气，然后在进入合成塔之前，为防止催化剂中毒及动力因素，要对原料气进行净化和压缩。

进入合成塔进行合成后，要及时分离出液氨，并进行循环操作，以增强N2和H2的利用率。

4.下图是合成氨的简要流程示意图

沿X路线回去的物质是（　　）

A.N2和H2B.催化剂C.NH3D.H2

4.A【解析】从合成塔出来的混合气中有相当一部分是未反应的氮气和氢气，单程转化会造成极大的白费，实际生产中采纳了循环法，将它们重新送回合成塔连续反应，同时持续地补充新奇的原料气。

5.用焦炭、水、空气来制取氨气的化学方程式：

C＋H2O（g）

CO＋H2，CO＋H2O（g）

CO2＋H2，N2＋3H2

2NH3，参加反应的焦炭与氨气之间的物质的量之比为（　　）

A．3∶4B．3∶2C．1∶1D．1∶2

5.A【解析】前两个化学方程相加得：

C＋2H2O

CO2＋2H2

因此，有关系式C～2H2①

而N2＋3H2

2NH3中有：

3H2～2NH3②

因此，①×3＋②×2得3C～4NH3，故n（C）∶n（NH3）＝3∶4。

6.已知焦炭、一氧化碳和烃类化合物都能与水反应产生合成尿素的原料——氢气和二氧化碳，从充分利用原料的角度考虑，用下列物质生产H2和CO2最为合适的是（　　）

A.CB.COC.天然气D.石脑油（C5H12、C6H14）

6.D【解析】生产出的H2用于合成NH3：

N2＋3H2

2NH3，再由NH3与CO2合成尿素。

由此，可找出H2与CO2的关系式：

3H2～2NH3～CO2。

分不写出备选项中各物质与H2O反应的化学方程式：

A项C＋H2O

H2＋CO，CO＋H2O

H2＋CO2总反应方程式为：

C＋2H2O

2H2＋CO2；B项CO＋H2O

H2＋CO2；C项CH4＋2H2O

4H2＋CO2；D项C5H12＋10H2O

16H2＋5CO2，C6H14＋12H2O

19H2＋6CO2。

产物中，n（H2）∶n（CO2）最接近3∶1的最合适。

7.实验室合成氨装置如下图所示，则以下讲法中错误的是（　　）

A.装置甲的作用之一是干燥B.装置甲的作用是化合

C.乙处导出的气体是N2、H2、NH3D.检验产物可用潮湿的红色石蕊试纸或浓盐酸等

7.B【解析】装置甲的作用有三点：

①干燥气体；②观看气体逸出速率便于操纵比例；③使气体混合平均。

二、填空题（共15分）

8.（6分）工业上合成氨的原料之一——氢气，有一种来源是石油气，如丙烷。

（1）有人设计了以下反应途径（反应方程式未配平），假设反应都能进行，你认为最合理的是（　　）

A.C3H8

C＋H2B.C3H8

C3H6＋H2C.C3H8＋H2O

CO＋H2

（2）按以上最合理的反应途径，理论上用1mol丙烷最多可制得氨气（　　）

A.4mol　　B.6.7molC.10molD.2.7mol

（3）该合理的反应途径最明显的优点是（　　）

A.简单易行B.制得的H2纯度高C.制得的H2产量高D.可同时获得大量热量

8.

（1）C（2分）

（2）B（2分）　（3）C（2分）

【解析】

（1）要分析得出哪种反应方式生成的H2最多，配平反应的化学方程式如下：

A．C3H8

3C＋4H2。

B．C3H8

C3H6＋H2。

C．C3H8＋3H2O

3CO＋7H2，生成的CO又能和H2O反应：

CO＋H2O

CO2＋H2。

当C3H8均为1mol时，C选项的途径中产生H2最多。

（2）C3H8＋3H2O

3CO＋7H23CO＋3H2O

3CO2＋3H2N2＋3H2

2NH3

由以上反应可得C3H8～10H2,3H2～2NH3。

按照有关量，进行运算：

C3H8～10H2～

×2NH3

1mol

mol

因此1molC3H8最多可制得6.7mol氨，应选B。

9.（9分）下图是工业生产中合成氨流程示意图，认真观看图示中的物质变化关系及工艺特点，回答下列咨询题：

（1）合成氨的整个工业生产包括造气、净化、合成氨三大部分，其中上述工艺流程图示中差不多将造气与净化装置用竖线分开，请你在图示中再将净化与合成氨装置用竖线分开。

（2）合成氨工业中的氢气来源于天然气、煤等物质，按照图示物质的变化关系写出两个生成氢气的化学方程式：

____________________________________________________________；

________________________________________________________________。

（3）净化装置中能够排除造气过程中产生的杂质，目的是_____________________________。

（4）目前国家倡导节能减排，观看上述工艺流程图示，写出合成氨工业中节能减排的两项措施________________________________________________________________________________________________________________________________。

9.

（1）

（2分）

（2）CH4＋H2O

CO＋3H2（2分）　CO＋H2O

CO2＋H2（2分）

（3）防止催化剂中毒（1分）

（4）氢气、氮气的循环利用（1分）；利用反应产生的热预热合成气体（1分）

【解析】

（1）整个工艺流程图示分为三部分，即造气、净化和合成氨装置。

其中“洗涤塔”确实是净化装置，而合成塔则是合成氨气的装置，另外还有氨气分离装置。

（2）图示中进入“转化炉”的气体是甲烷与水蒸气，而出来的气体有氢气、CO，故在转化炉中发生的甲烷与水蒸气的反应；转化炉中的CO产物对制备合成氨无用，故在“变换塔”中通入水蒸气使之与一氧化碳反应能够制备氢气。

（3）工业合成氨需要催化剂，而催化剂往往会因为杂质的存在而降低催化成效，因此需要除杂。

B组（课后拓展）

1.合成NH3所需的H2可由煤与H2O反应制得，其中有一步反应为CO（g）＋H2O（g）

CO2（g）＋H2（g）　ΔH<0。

欲提升CO转化率可采纳的方法可能有：

①降低温度；②增大压强；③使用催化剂；④增大CO的浓度；⑤增大水蒸气的浓度，其中正确的组合是（　　）

A.①②③　　　B.④⑤C.①⑤D.⑤

1.C【解析】该可逆反应的特点为：

①正反应为放热反应；②反应前后气体体积不改变。

结合勒夏特列原理可选出答案。

2.在体积为0.5L的恒容密闭容器中充入1.25molN2和1.25molH2，进行反应：

N2（g）+3H2（g）

2NH3（g）

=—92.4kJ·mol—1，在不同温度下达到平稳时测得H2的体积分数如下表所示，下列讲讲法正确的是（）

T/℃

200

300

400

H2的体积分数

a1

a2

25%

A.a1

B.若反应在400℃下进行，则达到平稳时N2的转化率为20%

C.若反应在300℃下进行，则达到平稳时反应放出的热量为23.1kJ

D.若反应在200℃下进行，则达到平稳畸时N2的体积分数为50%

2.A【解析】本题考查化学平稳的运算和化学平稳移动知识点。

N2（g）+3H2（g）

2NH3（g）

=—92.4kJ·mol—1

132

始：

1.25mol1.25mol0

变：

xmol3xmol2xmol23.1kJ

末：

1.25—xmol1.25—3xmol2xmol

=0.25

=

=20%

=

=50%。

温度升高，平稳向左移动，a1＞a2。

3.合成氨工业的要紧反应为：

N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）　ΔH<0，下图是合成氨的简要流程示意图：

（1）写出设备A、B的名称：

A________，B________；沿X路线进入压缩机的物质是______________________________________。

（2）原料气往往混有CO、NH3等杂质，在进入合成塔之前需净化，净化的缘故是______________________________________。

（3）氮、氢混合气体送入合成塔前要通过压缩机压缩的缘故是____________________；在合成塔中及时分离出氨气的目的是______________________。

（4）合成塔从上到下将催化剂分成四层，在层与层之间冷激气（冷的原料气）和反应气混合，请咨询如此设计的缘故是理由：

______________________。

（5）原料气从塔底流经外筒环隙进入理由：

______________________；气体在反应前后都要通过热交换器理由：

______________________。

3.

（1）热交换器　合成塔　N2和H2

（2）防止催化剂中毒

（3）增大反应物浓度，加快反应速率，使平稳朝生成NH3的方向进行　减小生成物的浓度，使平稳朝生成NH3的方向进行

（4）冷激气与每一层的反应混合气及时进行热交换，既预热原料气，又保证反应混合气的温度操纵在500℃左右，使每一层的催化剂都能起到最大的催化作用

（5）进行热交换，预热原料气，加快反应速率；充分利用反应放出的热量，节约能源。

（4）原料和热的循环利用是符合节能减排的时代要求。