第4課時(shí)合成氨的基本生產(chǎn)過程和合成氨工業(yè)的發(fā)展教學(xué)設(shè)計(jì)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】認(rèn)識(shí)合成氨生產(chǎn)的一般流程和反響原理、反響條件。認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)質(zhì)生產(chǎn)之間的轉(zhuǎn)變。認(rèn)識(shí)合成氨的發(fā)展認(rèn)識(shí)合成氨工業(yè)的三廢辦理。【重點(diǎn)難點(diǎn)】合成氨的主要原理、原料、重要設(shè)備、流程和意義利用所學(xué)的化學(xué)反響速率和化學(xué)平衡理論講解合成氨中的相關(guān)問題。課前預(yù)習(xí)【情況資料】在讓合成氨的工藝走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)工業(yè)化學(xué)生產(chǎn)的過程中，德國化學(xué)工程師博施作出了重要貢獻(xiàn)，他經(jīng)過大量試驗(yàn)，找到較為理想的鐵催化劑，設(shè)計(jì)并建筑了能夠耐高溫、高壓的合成氨裝置。1910年，德國建立了世界上第一座合成氨試驗(yàn)廠，1913年，又建立了生產(chǎn)規(guī)模的合成氨廠。今后今后，合成氨工業(yè)便迅速發(fā)展起來。工業(yè)上是如何合成氨的？【預(yù)習(xí)內(nèi)容】依照教材相關(guān)內(nèi)容填寫以下空白：一、合成氨的基本生產(chǎn)過程合成氨的基本生產(chǎn)過程主要包括三個(gè)步驟：、、。原料氣的制備氮?dú)獾闹苽洧傥锢矸椒ǎ孩诨瘜W(xué)方法：將空氣中的氧氣與作用生成，再除掉。氫氣的制備①碳與水蒸氣的反響，用方程式表示為：

。②水蒸氣與碳?xì)浠衔锏姆错?，用方程式表示為?/p>

，。2.原料氣的凈化(1)含義：原料氣的凈化是指(2)凈化方法①H2S的除掉，用方程式表示為：

，目的是；

。②CO的除掉，用方程式表示為：

；③CO2的除掉，用方程式表示為：

。3.氨的合成與分別(1)氨的合成：將凈化后的原料氣加壓送進(jìn)(2)從合成塔出來的混雜氣體，其中氨氣占整體積的

，在合適條件下充分反響制取氨。15%，要把混雜氣體經(jīng)過

使氨液化，再導(dǎo)入

。二、合成氨工業(yè)的發(fā)展原料及原料氣的凈化原料氣之一的氮?dú)鈦碜裕F(xiàn)在氫氣主要經(jīng)過不同樣的態(tài)可燃物（煤和焦炭）、態(tài)可燃物（石油提煉后的石腦油、重油）、態(tài)可燃物（天然氣、焦?fàn)t氣）為原料。2.催化劑的改進(jìn)多年來素來用

作催化劑，目前有采用

為基礎(chǔ)活性物質(zhì)的新式催化劑。3.環(huán)境保護(hù)(l)廢渣：可用作

的原料。(2)廢氣：主若是

和等有害氣體，對(duì)H2S的辦理，先后采用直接

法（選擇性催化氧化）、

法（用溶劑吸取濃縮，CO2也可用來生產(chǎn)和

等。(3)廢液：主若是含

和含

的污水，辦理含氰化物主要用

、加壓

、

分解、

、積淀、

回爐等方法；辦理氨廢水可用的方法回收氨氣，也可用治理。預(yù)習(xí)內(nèi)容答案一、造氣(制備合成氨的原料氣)；凈化(原料氣凈化辦理)；合成(使原料氣進(jìn)行化學(xué)反響合成氨)。高溫1.液態(tài)空氣液氮液氧碳二氧化碳二氧化碳C＋H2O=====CO＋H2高溫高溫CH4＋H2O=====3H2＋COCH＋HO=====4H＋CO4222催化劑2.除掉原料中雜質(zhì)的過程防范催化劑中毒催化劑H2S＋NH3·H2O===NH4HS＋H2OCO＋H2O=====CO2＋H2△KCO＋CO＋HO=2KHCO232233.合成塔冷凝器液氨貯罐二、1．空氣固液氣2．磁鐵礦釕3．(1)建材和肥料(2)H2SCO2氧化循環(huán)尿素碳銨(3)氰化物氨生化水解氧化化學(xué)反吹蒸餾離子交換法堂中互動(dòng)【問題研究1】合成氨的原料氣是如何制備的？【教師點(diǎn)撥】原料制備路線的選擇，應(yīng)綜合考慮資源、工藝、能耗、成本、環(huán)境等重要因從素。解析解答:制備合成氨的原料氣氮?dú)猓汉铣砂彼枰牡獨(dú)舛既∽钥諝狻目諝庵兄迫〉獨(dú)馄綍r(shí)有兩種方法：一是將空氣液化后蒸發(fā)分別出氧氣而獲得氮?dú)?；另一是將空氣中的氧氣與碳作用生成二氧化碳，再除掉二氧化碳獲得氮?dú)狻錃猓簹錃鈩t本源于水和碳?xì)浠衔?。能夠?qū)⑺魵饨?jīng)過赤熱的煤發(fā)生化學(xué)反響生成一氧化碳和氫氣：C＋H2OCO＋H2?！炯磳W(xué)即練1】合成氨所需的原料是()①水②空氣③焦炭④鐵觸媒A.①②B.②③C.①②③D.全部

(或焦炭

)層，使水蒸氣與碳1.C【解析】鐵觸媒是合成氨的催化劑，不屬于原料?！締栴}研究2】原料氣在合成氨從前為何進(jìn)行凈化？如何凈化？氨的合成與分別是如何進(jìn)行的？【教師點(diǎn)撥】①一氧化碳的變換擁有重要的意義：一是提高了燃料的利用率和氫氣的產(chǎn)率；二是解決了氫氣中的雜質(zhì)難以除掉的問題。②在原料氣凈化的最后，還要將原料氣作精制辦理使雜質(zhì)的含量減少到最低程度。常用的方法之一是用醋酸、銅和氨配成的溶液來吸取H2S、CO、CO2、O2等雜質(zhì)。③將氨從反響混雜物中分別出來，利用的原理是氨易液化，氮?dú)夂蜌錃怆y液化，采用的方法是將混雜氣體經(jīng)過冷凝器使氨液化。循環(huán)操作的主要目的在于充分地利用原料、降低成本；從工藝設(shè)計(jì)以及環(huán)境保護(hù)角度來說，循環(huán)操作有利于實(shí)現(xiàn)全封閉、連續(xù)化生產(chǎn)，有利于減少工序、控制荒棄物的排放，因此，循循環(huán)操作常常成為化學(xué)工藝設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的問題。解析解答：原料氣的凈化①對(duì)原料氣凈化的原因：在制取原料氣的過程中，?；煊幸恍╇s質(zhì)，其中的某些雜質(zhì)會(huì)使合成氨所用的催化劑“中毒”，因此必定除掉，這一過程稱為原料氣的凈化。②吸取H2S：用稀氨水吸取H2S雜質(zhì)：NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O。③除掉CO：制造原料氣過程中產(chǎn)生的CO必定變成CO2除掉。工業(yè)生產(chǎn)中在催化劑(如Fe2O3和CuO等)作用下，一氧化碳能夠與水蒸氣反響生成二氧化碳和氫氣：CO＋H2O=CO2＋H2，生成的二氧化碳常采用K2CO3溶液吸?。篕2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。④精制原料氣：用醋酸、銅和氨配制成的溶液來吸取CO、CO2、O2、H2S等少量有害氣體，進(jìn)行精制辦理。為了使氨從沒有反響的氮?dú)夂蜌錃饫锓謩e出來，要把混雜氣體經(jīng)過冷凝器使氨液化，爾后在氣體分別器里把液態(tài)氨分別出來導(dǎo)入液氨貯罐。由氣體分別器出來的氣體，經(jīng)過循環(huán)壓縮機(jī)，再送到合成塔中進(jìn)行反響?！炯磳W(xué)即練2】以下列圖是合成氨的簡要流程表示圖：(1)寫出所含主要物質(zhì)的化學(xué)式：A___________，B_________，C__________，D_________。(2)寫出設(shè)備名稱：D____________，E_________。2.(1)A.N2、HB.NH3C.N2、HD.NH3、N、H2222(2)合成塔分別器【解析】合成氨的過程是將原料氣(氮?dú)狻錃?壓縮后送入合成塔內(nèi)進(jìn)行反響，爾后冷卻，在分別器的作用下，將液氨分別出來，節(jié)余的氣體(氮?dú)夂蜌錃?再進(jìn)入合成塔內(nèi)合成，這樣循環(huán)利用，可提高產(chǎn)率?！締栴}研究3】結(jié)合生產(chǎn)是指在整個(gè)生產(chǎn)過程中生產(chǎn)多種產(chǎn)品。依照合成氨的生產(chǎn)過程，請(qǐng)舉例說明合成氨工業(yè)能夠進(jìn)行哪些結(jié)合生產(chǎn)或深加工？【教師點(diǎn)撥】結(jié)合生產(chǎn)能夠使原料、產(chǎn)品等物料獲得充分的利用，減少物流交通所耗費(fèi)的人力、物力，降低產(chǎn)品的成本。能夠?qū)崿F(xiàn)能量和設(shè)備等資源、技術(shù)的共享，也是綠色化學(xué)工藝改進(jìn)的一條重要思路。解析解答：從經(jīng)濟(jì)角度，結(jié)合生產(chǎn)有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，以求得規(guī)模效益和綜合效益的最大化。比方，合成氨與硝銨、碳銨等氮肥生產(chǎn)：的結(jié)合，石油精髓廠與合成沖洗劑廠的結(jié)合生產(chǎn)等?！炯磳W(xué)即練3】氨在公民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位?，F(xiàn)在約有80%的氨用來制造化肥，其他的用作生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。比方，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、氯化銨、氨水以及各種含氮混雜肥料和復(fù)合肥料，都是以氨為原料制成的；氨氧化法制硝酸是工業(yè)上制硝酸的主要方法。(1)對(duì)于合成氨的反響來說，使用催化劑和施以高壓，以下表達(dá)中正確的選項(xiàng)是

(

)A.都能提高反響速率，都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)無影響B(tài).都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響，都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間C.都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間，只有壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響D.催化劑能縮短反響達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間，而壓強(qiáng)無此作用綜合考慮各種因素，在實(shí)質(zhì)生產(chǎn)中，合成氨一般選擇以________為催化劑，壓強(qiáng)在________之間，溫度在________左右。(3)要實(shí)現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，第一要解決氫氣和氮?dú)獾谋驹磫栴}。氫氣的制取可有以下幾條路子：①電解水制取氫氣，②由煤或焦炭來制取氫氣，③由天然氣或重油制取氫氣。你認(rèn)為哪種方法是最正確選擇？________(填序號(hào))，其反響的化學(xué)方程式為_________________________________。硝酸廠的尾氣中含有NO和NO2等污染物，為了防范污染大氣能夠用燒堿溶液吸取從吸取塔中放出的尾氣，發(fā)生的反響以下：2NaOH＋NO＋NO2===2NaNO＋H2O

2NaOH

＋2NO===NaNO2＋NaNO3＋H2O但在實(shí)質(zhì)生產(chǎn)中常用純堿代替燒堿，NO和NO2的兩個(gè)反響的化學(xué)方程式：①

也能發(fā)生近似的反響，且放出CO2，試寫出用純堿溶液吸取_______________________________；______________________________________。3.(1)C(2)鐵觸媒20～50MPa500℃催化劑催化劑(3)③CH4＋H2O=====CO＋3H2CO＋H2O=====CO2＋H2高溫△(4)①Na2CO3＋NO＋NO2===2NaNO＋CO2②Na2CO3＋2NO===NaNO2＋NaNO3＋CO2【解析】(1)對(duì)合成氨的反響，催化劑只能提高反響速率，不能夠使化學(xué)平衡發(fā)生搬動(dòng)；高壓能提高化學(xué)反響速率，也能使化學(xué)平衡向生成氨的方向搬動(dòng)。(3)電解水制氫氣，電能耗費(fèi)大，成本高；煤作原料，能源耗費(fèi)大，污染大。天然氣作為潔凈燃料，便于管道運(yùn)輸，有投資省、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。練案A組（課堂反響滿分50分）一、選擇題（每題5分，共35分）油炸蝦條、薯片等易碎的食品，不宜采用真空袋裝而應(yīng)采用充氣袋裝。在實(shí)質(zhì)生產(chǎn)中，充入此類食品袋的是以下氣體中的（）A.氧氣B.二氧化碳C.空氣D.氮?dú)?.D【解析】易碎食品在儲(chǔ)蓄的時(shí)候要注意防氧化和抗擠壓。在食品袋中沖入氮?dú)饧饶軌蚍罃D壓又能夠防氧化。2.制備干燥氨氣所需的藥品是()A.NH4Cl溶液，NaOH溶液，熟石灰B.飽和氨水C.NaOH溶液，NH4Cl晶體，濃硫酸D.NH4Cl固體，堿石灰，消石灰2.D【解析】NH4Cl固體和消石灰混雜加熱生成NH3，堿石灰吸取水，可獲得干燥的氨氣。合成氨工業(yè)有以下賤程：①原料氣制備；②氨的合成；③原料氣凈化和壓縮；④氨的分別。其先后序次為（）A.①②③④B.①③②④C.④③②①D.②③④①3.B【解析】對(duì)于合成氨工業(yè)工藝流程，第一制取原料氣，爾后在進(jìn)入合成塔從前，為防范催化劑中毒及動(dòng)力因素，要對(duì)原料氣進(jìn)行凈化和壓縮。進(jìn)入合成塔進(jìn)行合成后，要及時(shí)分別出液氨，并進(jìn)行循環(huán)操作，以增強(qiáng)N2和H2的利用率。以下列圖是合成氨的簡要流程表示圖沿X路線回去的物質(zhì)是()A.N和HB.催化劑C.NH3D.H2224.A【解析】從合成塔出來的混雜氣中有相當(dāng)一部分是未反響的氮?dú)夂蜌錃?，單程轉(zhuǎn)變會(huì)造成極大的浪費(fèi)，實(shí)質(zhì)生產(chǎn)中采用了循環(huán)法，將它們重新送回合成塔連續(xù)反響，同時(shí)不斷地補(bǔ)充新鮮的原料氣。高溫催化劑用焦炭、水、空氣來制取氨氣的化學(xué)方程式：C＋H2O(g)=====CO＋H2，CO＋H2O(g)=====CO2△＋H2，N2＋3H22NH3，參加反響的焦炭與氨氣之間的物質(zhì)的量之比為()A．3∶4B．3∶2C．1∶1D．1∶25.A【解析】前兩個(gè)化學(xué)方程相加得：高溫C＋2HO=====CO＋2H2因此，相關(guān)系式C～2H2①而N2＋3H22NH3中有：3H2～2NH3②因此，①×3＋②×2得3C～4NH3，故n(C)∶n(NH3)＝3∶4。已知焦炭、一氧化碳和烴類化合物都能與水反響產(chǎn)生合成尿素的原料——?dú)錃夂投趸?，從充分利用原料的角度考慮，用以下物質(zhì)生產(chǎn)H2和CO2最為合適的是()A.CB.COC.天然氣D.石腦油(C5H12、C6H14)6.D【解析】生產(chǎn)出的H2用于合成NH3：N2＋3H22NH3，再由NH3與CO2合成尿素。由此，可找出H2與CO2的關(guān)系式：3H2～2NH3～CO2。分別寫出備選項(xiàng)中各物質(zhì)與H2O反響的化學(xué)方程式：

A項(xiàng)

高溫高溫C＋H2O=====H2＋CO，CO＋H2O=====H2＋CO2總反響方程式為：

C＋

高溫2H2O=====2H2＋CO2；

B

項(xiàng)

CO＋高溫

高溫

高溫高溫H2O=====H2＋CO2；C項(xiàng)CH4＋2H2O=====4H2＋CO2；D項(xiàng)C5H12＋10H2O=====16H2＋5CO2，C6H14＋12H2O=====19H2＋6CO2。產(chǎn)物中，n(H2)∶n(CO2)最湊近3∶1的最合適。實(shí)驗(yàn)室合成氨裝置以以下列圖所示，則以下說法中錯(cuò)誤．．的是()A.裝置甲的作用之一是干燥

B.裝置甲的作用是化合C.乙處導(dǎo)出的氣體是

N2、H2、NH3D.

檢驗(yàn)產(chǎn)物可用濕潤的紅色石蕊試紙或濃鹽酸等7.B【解析】裝置甲的作用有三點(diǎn)：①干燥氣體；②觀察氣體逸出速率便于控制比率；③賭氣體混雜均勻。二、填空題（共15分）8.(6分)工業(yè)上合成氨的原料之一——?dú)錃?，有一種本源是石油氣，如丙烷。有人設(shè)計(jì)了以下反響路子(反響方程式未配平)，假設(shè)反響都能進(jìn)行，你認(rèn)為最合理的是(

)極高溫A.C3H8――→

C＋H2

B.C

高溫脫氫3H8――→

C3H6＋H2

催化劑C.C3H8＋H2O――→△

CO＋H2(2)按以上最合理的反響路子，理論上用1mol(3)該合理的反響路子最顯然的優(yōu)點(diǎn)是()

丙烷最多可制得氨氣

(

)A.簡單易行B.制得的H2純度高C.制得的8.(1)C（2分）(2)B（2分）(3)C（2分）

H2產(chǎn)量高

D.可同時(shí)獲得大量熱量【解析】

(1)要解析得出哪一種反響方式生成的

H2最多，配平反響的化學(xué)方程式以下：極高溫A．C3H8――→

3C＋4H2。

高溫脫氫B．C3H8――→

C3H6＋H2。催化劑

高溫C．C3H8＋3H2O――→

3CO＋7H2，生成的

CO又能和

H2O反響：CO＋H2O=====CO2＋H2?！鳟?dāng)C3H8均為

1mol

時(shí)，C選項(xiàng)的路子中產(chǎn)生

H2最多。高溫

高溫(2)C3H8＋3H2O――→3CO＋7H23CO＋3H2O=====3CO2＋3H2

N2＋3H2

2NH3由以上反響可得C3H8～10H2,3H2～2NH3。依照相關(guān)量，進(jìn)行計(jì)算：10C3H8～10H2～3×2NH31mol

203mol因此

1molC

3H8最多可制得

6.7mol

氨，應(yīng)選

B。9.(9分)以下列圖是工業(yè)生產(chǎn)中合成氨流程表示圖，仔細(xì)觀察圖示中的物質(zhì)變化關(guān)系及工藝特點(diǎn)，回答以下問題：合成氨的整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)包括造氣、凈化、合成氨三大部分，其中上述工藝流程圖示中已經(jīng)將造氣與凈化妝置用豎線分開，請(qǐng)你在圖示中再將凈化與合成氨裝置用豎線分開。合成氨工業(yè)中的氫氣本源于天然氣、煤等物質(zhì)，依照?qǐng)D示物質(zhì)的變化關(guān)系寫出兩個(gè)生成氫氣的化學(xué)方程式：____________________________________________________________；________________________________________________________________。(3)凈化妝置中能夠除掉造氣過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)，目的是_____________________________。目前國家提議節(jié)能減排，觀察上述工藝流程圖示，寫出合成氨工業(yè)中節(jié)能減排的兩項(xiàng)措施________________________________________________________________________________________________________________________________。9.(1)(2分)高溫高溫(2)CH4＋H2O=====CO＋3H(2分)CO＋H2O=====CO＋H(2分)222防范催化劑中毒(1分)(4)氫氣、氮?dú)獾难h(huán)利用(1分)；利用反響產(chǎn)生的熱預(yù)熱合成氣體(1分)【解析】(1)整個(gè)工藝流程圖示分為三部分，即造氣、凈化和合成氨裝置。其中“沖洗塔”就是凈化妝置，而合成塔則是合成氨氣的裝置，別的還有氨氣分別裝置。(2)圖示中進(jìn)入“轉(zhuǎn)變爐”的氣體是甲烷與水蒸氣，而出來的氣體有氫氣、CO，故在轉(zhuǎn)變爐中發(fā)生的甲烷與水蒸氣的反響；轉(zhuǎn)變爐中的CO產(chǎn)物對(duì)制備合成氨無用，故在“變換塔”中通入水蒸氣使之與一氧化碳反響能夠制備氫氣。工業(yè)合成氨需要催化劑，而催化劑常常會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)的存在而降低催化收效，因此需要除雜。組（課后拓展）1.合成NH所需的H可由煤與HO反響制得，其中有一步反響為CO(g)＋HO(g)CO(g)＋32222H2(g)<0。欲提高CO轉(zhuǎn)變率可采用的方法可能有：①降低溫度；②增大壓強(qiáng)；③使用催化H劑；④增大CO的濃度；⑤增大水蒸氣的濃度，其中正確的組合是()A.①②③B.④⑤C.①⑤D.⑤1.C【解析】該可逆反響的特點(diǎn)為：①正反響為放熱反響；②反響前后氣體體積不改變。結(jié)合勒夏特列原理可選出答案。2.在體積為5L的恒容密閉容器中充入1.25molN2和1.25molH2，進(jìn)行反響：N2(g)+3H2(g)2NH(g)H=—92.4kJ·mol—1，在不同樣溫度下達(dá)到平衡時(shí)測得H的體積分?jǐn)?shù)以下32表所示，以下說說法正確的選項(xiàng)是()T/℃200300400H2的體積分?jǐn)?shù)a1a225%A.a1<a2B.若反響在400℃下進(jìn)行，則達(dá)到平衡時(shí)N2的轉(zhuǎn)變率為20%C.若反響在300℃下進(jìn)行，則達(dá)到平衡時(shí)反響放出的熱量為23.1kJD.若反響在200℃下進(jìn)行，則達(dá)到平衡畸時(shí)N2的體積分?jǐn)?shù)為50%A【解析】本題觀察化學(xué)平衡的計(jì)算和化學(xué)平衡搬動(dòng)知識(shí)點(diǎn)。N(g)+3H(g)2NH(g)—13H22132始：1.25mol1.25mol0變：xmol3xmol2xmol2