學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精課題2人工固氮技術-—合成氨名師導航知識梳理1.合成氨工業(yè)簡介（1）合成氨工業(yè)流程原料氣的_____________→_____________→壓縮→①原料氣的制取N2：先將空氣____________、____________分離出____________，或者將空氣中的____________與碳作用生成____________，除去____________后得N2.H2:用水和燃料(煤、焦油、石油、天然氣等）在高溫下制取。用煤和水制H2的主要反應為：____________________________________。②制得的N2、H2需凈化,除雜質(zhì)，需用壓縮機壓縮至高壓.③氨的合成:在適宜條件下,在合成塔中進行.④氨的分離：經(jīng)____________使氨液化，將____________分離出來,提高原料的轉(zhuǎn)化率,并將沒有反應完全的____________和____________循環(huán)送入合成塔，使其充分被利用。（2）氨的合成①主要設備：____________。②反應原理：__________________________________________________________________。2.合成氨的適宜條件的選擇選擇適宜條件的目的是___________和___________。因此可依據(jù)外界條件對___________和___________規(guī)律，選擇適宜的反應條件。（1）選擇適宜條件的依據(jù)合成氨的反應原理：N2(g)+3H2（g)2NH3（g），ΔH=—92.4kJ·mol-1,這一反應的特點是________、________熱的________反應.（2）合成氨的適宜條件①增大________、________濃度，及時將生成的________分離出來。②溫度為________℃左右。③壓強為________—________Pa。④________作催化劑。知識導學首先合成氨工業(yè)流程根據(jù)化學原理，綜合考慮原料的儲量、來源、運輸、倉儲、設備、環(huán)境保護、生產(chǎn)成本等諸多要素，并將多個方案進行系統(tǒng)分析，方可確定一個成功的生產(chǎn)工藝流程。其次合成氨工業(yè)流程包括從原料的獲取開始、原料氣凈化、壓縮、合成、產(chǎn)物分離包括氮氣和氫氣的循環(huán)才是一個完整的工業(yè)流程。注意氮氣和氫氣合成氨是一個可逆反應,所以，如何提高反應物的轉(zhuǎn)化率，是一個非常重要的問題。一方面根據(jù)化學平衡移動的原理，采用增大氮氣濃度，提高氫氣轉(zhuǎn)化率的方法及增大壓強、及時分離氨的方法都是為了達到這同一個目的.另一方面反應速率是提高工業(yè)生產(chǎn)效率的基本依據(jù)，所以提高反應速率——原料氣凈化、濃縮、使用催化劑并控制溫度使催化劑活性最大，都可以達到這一目的。最終確定一個較好合適的條件需要綜合考慮.主要從以下四個方面考慮：溫度：500℃左右。從化學速率分析，溫度越高越好；從反應平衡分析,溫度越低越好.綜合考慮以500℃左右為宜,而且此溫度下催化劑活性最大。壓強：2×107-5×107Pa.無論從速率還是平衡考慮，壓強越大越有利于合成氨.但壓強越大,對設備的制造和材料的強度要求越高，以2×107-5×107Pa為宜。催化劑：加快反應速率但不影響平衡,提高單位時間氨的產(chǎn)量,目前工業(yè)上以鐵觸媒為催化劑。濃度：從速率及平衡角度分析,應增大氫氣和氮氣濃度，降低氨的濃度。疑難突破1。怎樣理解綠色化學的涵義？剖析：綠色化學是人類和自然界的動物和諧相處的化學，是對環(huán)境更友善的化學。它的目標是研究和尋找能充分利用的無毒害原料，最大限度節(jié)約能源，在化工生產(chǎn)各環(huán)節(jié)都實現(xiàn)凈化和無污染的反應途徑等。這種綠色意識是人類追求自然完美的一種高級表現(xiàn).它不把人看成是自然的主宰者，而是看作自然界中的普遍一員，追求的是人對自然的尊重以及人與自然和諧的關系.它和通常講的“環(huán)保意識”不同。通常講的環(huán)保意識帶有明顯的被動狀態(tài).2.如何根據(jù)化學原理選擇化工生產(chǎn)的適宜條件?剖析:化工生產(chǎn)以化學反應原理為依據(jù),以實驗室研究為基礎，任何生產(chǎn)的完成都要符合化學反應規(guī)律.所以化工生產(chǎn)條件的選擇仍然要在化學原理的基礎上，結合生產(chǎn)實際及其他相關因素來進行選擇。工業(yè)上合成氨，首先從化學原理上講，既要使反應進行得快，又要使平衡盡可能地向正反應方向移動，以提高氨的產(chǎn)量，其次，不能忽視生產(chǎn)中的動力、材料、設備等因素，只有符合原理又充分考慮生產(chǎn)因素的方案才能取得最佳效益。3.工業(yè)上如何選擇合成氨生產(chǎn)的合適溫度?剖析：根據(jù)N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH=-92。4kJ·mol-1的特點,從化學速率分析，溫度越高越好；從反應平衡分析:溫度越低越好；催化劑的活性在500℃時最大。所以，在合成氨工業(yè)中反應溫度選擇的是500℃左右,選擇這一溫度并不是為了提高合成氨的產(chǎn)量，因為生成氨的反應是一個放熱反應,升溫不利于反應向生成氨的方向進行.在這一溫度下，合成氨反應的催化劑的活性最大，催化效果最好，因此選擇500℃的條件，主要是從提高化學反應速率的角度考慮的，因為這樣可以大大提高合成氨的生產(chǎn)效率。疑難導析充分認識“綠色化學”的本質(zhì)是和諧相處，對環(huán)境友善，把“綠色化學”和“環(huán)保意識”結合起來理解?！熬G色化學”是在“環(huán)保”的基礎上發(fā)展起來的意義更為全面的一個新的化學工業(yè)理念，它表達了人類主動與自然界友好相處的一個理想,也成了現(xiàn)代化學工業(yè)追求的一個目標.首先明確化工生產(chǎn)根據(jù)哪一個化學原理,它是化工生產(chǎn)的基礎和依據(jù),所以化工生產(chǎn)條件必須要符合化學反應原理；其次化學規(guī)律是眾多化學反應都遵循的基本原理，也是我們選擇化工生產(chǎn)條件的重要依據(jù),如化學反應速率理論、化學平衡理論等；最后化工生產(chǎn)設備、熱力學理論、動力學理論及其他的相關因素也都不可忽視，只有將諸多因素進行系統(tǒng)分析，才能最好得出結論。合成氨反應是一個放熱、體積減小的氣體可逆反應,這是我們選擇合成氨生產(chǎn)溫度的基礎，低溫有利于增大反應物的轉(zhuǎn)化率，但不利于反應速率的提高,而且應該考慮催化劑的活性溫度，選擇一個催化劑活性溫度最高的溫度作為生產(chǎn)的條件，否則就需要改變催化劑。問題探究問題1:工業(yè)上如何制取合成氨的原料氣？探究：要生產(chǎn)合成氨，首先要制造含有氮、氫混合氣的原料氣。用于制造原料氣的原料可分為固體原料、液體原料和氣體原料三種.固體原料主要有煤和焦炭。將煤或焦炭放入半水煤氣發(fā)生爐里，交替通入空氣和水蒸氣,就可以得到半水煤氣。半水煤氣的有效成分是N2和H2，還含有CO、CO2和H2S等雜質(zhì).半水煤氣經(jīng)凈化后，可作合成氨的原料氣.液體原料主要有原油、輕油、重油等。它們可用分子式CmHn表示。用水蒸氣和氧汽的混合氣體來氣化重油，可得到H2和CO。利用重油汽化法制取合成氨原料氣,是近代合成氨工業(yè)中的一個重要發(fā)展。常用的氣體原料有天然氣、油田氣、煉廠氣和焦爐氣等四種.在這些氣體原料中,天然氣用量最大.我國四川省有以天然氣為原料的大型合成氨廠.用天然氣制合成氨原料氣的方法很多，概括起來可分為四大類，即熱解法、水蒸氣轉(zhuǎn)化法、部分氧化法和綜合法。熱解法是在沒有觸媒的情況下，用高溫使天然氣中的甲烷受熱分解而制得氫氣的方法：CH42H2+C水蒸氣轉(zhuǎn)化法是在700—900℃的溫度下，使水蒸氣和甲烷通過鎳觸媒而起反應：CH4+H2O====CO+3H2部分氧化法是在950℃左右和鎳觸媒的作用下,使甲烷進行不完全氧化：2CH4+O2====2CO+4H2綜合法是在制取乙炔的同時，副產(chǎn)合成氨原料氣.將天然氣和氧氣同時通入轉(zhuǎn)化爐中，高溫下使部分甲烷進行燃燒，放出的熱使剩余的天然氣受熱后分解而生成乙炔和氫氣,分離后可得到氫氣。2CH4====C2H2+3H2問題2:如何防止催化劑的中毒?探究：催化劑的催化能力一般稱為催化活性。有人認為，由于催化劑在反應前后的化學性質(zhì)和質(zhì)量不變，一旦制成一批催化劑之后，便可以永遠使用下去。實際上許多催化劑在使用過程中，其活性從小到大,逐漸達到正常水平，這就是催化劑的成熟期。接著，催化劑活性在一段時間里保持穩(wěn)定,然后再下降，一直到衰老而不能再使用?；钚员３址€(wěn)定的時間即為催化劑的壽命，其長短因催化劑的制備方法和使用條件而異。催化劑在穩(wěn)定活性期間，往往因接觸少量的雜質(zhì)而使活性明顯下降甚至被破壞，這種現(xiàn)象稱為催化劑的中毒。一般認為是由于催化劑表面的活性中心被雜質(zhì)占據(jù)而引起中毒。中毒分為暫時性中毒和永久性中毒兩種.例如，對于合成氨反應中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒.但利用純凈的氫、氮混合氣體通過中毒的催化劑時，催化劑的活性又能恢復,因此這種中毒是暫時性中毒。相反，含P、S、As的化合物則可使鐵催化劑永久性中毒。催化劑中毒后，往往完全失去活性，這時即使再用純凈的氫、氮混合氣體處理，活性也很難恢復。催化劑中毒會嚴重影響生產(chǎn)的正常進行.工業(yè)上為了防止催化劑中毒，一方面要把反應物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設備，提高成本，另一方面,研制具有較強抗毒能力的新型催化劑，也是一個重要的化工生產(chǎn)研究方向。問題3：怎樣理解合成氨的催化機理？探究：根據(jù)合成氨的反應特征及化學反應速率理論和化學平衡理論可知：低溫、高壓對合成氨反應是有利的,但無催化劑時，反應的活化能很高,反應幾乎不發(fā)生。當采用鐵催化劑時，由于改變了反應歷程，降低了反應的活化能，使反應以顯著的速率進行。目前認為,合成氨反應的一種可能機理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進行化學吸附,使氮原子間的化學鍵減弱。接著是化學吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用,在催化劑表面上逐步生成—NH、-NH2和NH3,最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨。上述反應途徑可簡單地表示為：xFe+N2→FexNFexN+［H］吸→FexNHFexNH+［H］吸→FexNH2FexNH2＋［H]吸FexNH3xFe+NH3在無催化劑時,氨的合成反應的活化能很高，大約335.加入鐵催化劑后，反應以生成氮化物和氮氫化物兩個階段進行。第一階段的反應活化能為126—167kJ·mol—1，第二階段的反應活化能為13kJ·mol-1。由于反應途徑的改變（生成不穩(wěn)定的中間化合物），降低了反應的活化能，因而反應速率加快了。問題導思首先搞清合成氨的原料氣是氮氣和氫氣，所以合成氨需要提供大量純凈而又價廉的氮氣和氫氣。制備氮氣主要從空氣中。無論從經(jīng)濟觀點看,還是從資源分配看，氮氣的最大來源肯定是空氣,空氣的主要成分是氮氣和氧氣，只要設法將氧氣除掉即可,而可以消耗氧氣的物質(zhì)很多，但不可用成本高的物質(zhì)，最好是其他工生產(chǎn)的廢料；而將空氣液化后然后利用氮氣與氧氣的沸點不同也可以得到氮氣，而且副產(chǎn)的氧氣也可以帶來不菲的經(jīng)濟效益。制備氫氣的方法很多，它當然不能指望與氮氣一樣直接從自資源中獲得，所以氫氣都需要從其他化工原料中加工才能制得。根據(jù)氫氣所含的元素我們可以推斷制氫氣的原料肯定需要是含氫豐富的物質(zhì),水及烴類物質(zhì)是制氫的首選原料。氫氣則可以從水煤氣得到，也可以通過天然氣及其他烴分解得到，這要看企業(yè)所在地的能源分布情況來定，如果是產(chǎn)煤基地,即用水煤氣法；如果是天然氣豐富的地區(qū)，則以天然氣分解或與水蒸氣轉(zhuǎn)化得到;如果由其他烴等資源，則還可以有其他方法來得到氫氣.首先從理解催化劑的概念入手來理解催化劑中毒。催化劑是可以加快化學反應速率，而自身的質(zhì)量不會發(fā)生變化的物質(zhì),它其實也參加了化學反應,只不過最后又重新還原為原來的物質(zhì)而已.所以同學千萬不要以為催化劑類似于惰性雜質(zhì)一樣沒有參加反應。催化劑的主要功能是加快化學反應速率,當它不能使化學反應加速，就是催化劑中毒了。其次了解催化劑中毒的原因通常是接觸了雜質(zhì)而活性下降或被破壞，或不具備催化劑發(fā)揮作用時的條件而影響到催化效率的發(fā)揮等諸多情況.最后針對催化劑中毒的原因,討論催化劑中毒問題需要對癥下藥,將雜質(zhì)除掉或?qū)υ线M行凈化或提供能發(fā)揮催化劑最大效率的條件。如果能合成原料不能毒化的催化劑，則會使化工生產(chǎn)流程縮短，工藝簡化，提高經(jīng)濟效益。從氮分子的穩(wěn)定性考慮合成氨的最大困難在于氮分子的穩(wěn)定性太強，破壞它的叁鍵需要極高的能量，因此反應很慢。要想將氮分子中的叁鍵破壞,一種思路是采用高溫、高壓的條件，為氮分子提供極高的能量,來滿足破壞叁鍵所需要的極高的能量需求。另一種思路則是采用催化劑,改變氮分子中叁鍵的形態(tài)，使其鍵能先降低，然后再來破壞它，這就是更為普遍的催化反應機理。合成氨的催化機理是將氮分子吸附到催化劑表面上,用形成的其他的化學鍵來削弱氮分子的叁鍵,使氮原子間內(nèi)部的結合力得到削弱，最終實現(xiàn)氮分子的離解，而與氫原子順利地結合為氨分子。典題精講【例1】下列有關合成氨工業(yè)的敘述，可用勒夏特列原理來解釋的是（）A.使用鐵觸媒,使N2和H2混合氣體有利于合成氨B。高壓比常壓條件更有利于合成氨的反應C。500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應D.合成氨時采用循環(huán)操作,可提高原料的利用率思路解析:合成氨的反應是一個氣體體積縮小的放熱反應，加壓能使平衡向生成氨的方向移動;升溫雖不利于提高平衡時氨的含量，但能使催化劑活性增大，提高反應速率，綜合各種因素看,適當?shù)母邷貙铣砂狈磻怯欣?使用鐵觸媒能同等程度地加快正、逆反應速率，由于正、逆反應速率仍然保持相等,所以它不會破壞活性平衡狀態(tài)，平衡不發(fā)生移動，只能縮短到達合成氨平衡時的時間；合成氨采用循環(huán)操作，可以提高原料的利用率，但并沒有涉及化學平衡移動。所以，能夠用平衡移動原理解釋的只有B選項。答案：B典題導考【例2】在一定條件下,合成氨反應達到平衡,此時，再進行如下操作，平衡不發(fā)生移動的是(）A。恒溫、恒壓時充入NH3B.恒溫、恒容時充入N2C。恒溫、恒壓時充入HeD.恒溫、恒容時充入He思路解析：該題需應用勒夏特列原理對題給選項進行分析。A選項，充入NH3增加生成物濃度，會使平衡向逆反應方向移動，同時保持恒壓，則容積必定要擴大，同樣也會使平衡向逆反應方向移動；B選項，恒溫恒容充入N2，反應物濃度增大，會使平衡向正反應方向移動;C選項,充入He不參加化學反應，但由于要保持恒壓狀態(tài)，則容積也必定要擴大，相當于減小壓強，會使平衡向逆反應方向移動;D選項，保持恒溫恒容充入He,盡管總壓強增大，但由于容積不變，平衡體系中各組分的濃度并沒有發(fā)生變化，所以平衡不會發(fā)生移動。所以不選A、B、C。答案：D【例3】在恒溫恒壓的條件下，合成氨反應達到平衡后，混合氣體中的NH3的體積分數(shù)為25％。則反應后縮小的氣體體積與原反應物體積的比值是……（)A.B。C。D。思路解析：在恒溫恒壓的條件下，氣體的體積比就等于其物質(zhì)的量之比?？筛鶕?jù)題意中的已知條件，設未知數(shù)找出對應關系列出方程。解：設起始時H2為amol，N2為bmol，平衡時NH3為xmol。3H2+N22NH3起始時物質(zhì)的量（mol）ab0變化的物質(zhì)的量(mol）x平衡后物質(zhì)的量（mol)a-b-x則：=25％化簡得：=答案：A【例4】平均相對分子質(zhì)量是H2的4。25倍的N2和H2的混合氣體,在恒溫恒壓下進行反應，達到平衡時，混合氣體密度增大了1/4，求N2的轉(zhuǎn)化率。思路解析:N2和H2混合氣體的平均相對分子質(zhì)量為8。5，根據(jù)十字交叉法：可判斷出原混合氣體中N2和H2的體積比為1∶3。由于氣體的總質(zhì)量不變，在恒溫恒壓條件下,氣體的密度比與氣體的體積比成反比，則：===，即平衡后氣體體積為原混合氣體體積的4/5。解：設N2的轉(zhuǎn)化率為x，則3H2+N22NH3起始體積3L1L0變化體積3xLxL2xL平衡體積3L-3xL（1-x）L2xL根據(jù)題意列式：=，解得：x=40%答案:40％典題導考綠色通道：勒夏特列原理只能解釋有關化學平衡移動的問題，不能用于解釋化學反應速率問題，因此，在應用時要加以區(qū)分.【典題變式1】在一定條件下，使SO2和O2在一密閉容器中進行反應，下列說法中正確的是（）A。隨著反應的進行，正反應速率逐漸減小，逆反應速率逐漸增大，最后二者相等B.隨著反應的進行，正反應速率由最大變?yōu)榱悖娣磻俾视闪阕優(yōu)樽畲驝。從反應開始到建立平衡的過程中,正反應的最小速率等于逆反應的最大速率D.達到平衡時，正反應速率和逆反應速率均為零黑色陷阱：本題易錯選C，主要是同學們?nèi)菀變H僅從