新人教版高中化学选修2第一单元走进化学工业课题2人工固氮技术合成氨教学案附答案.docx
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新人教版高中化学选修2第一单元走进化学工业课题2人工固氮技术合成氨教学案附答案
课题2人工固氮技术——合成氨
合成氨的反应原理
[自读教材·夯基础]
1．氮的固定
使空气中游离态的氮转变为化合态的氮的方法叫氮的固定。
2．合成氨原理
（1）实验装置：
（2）现象：
湿润的pH试纸变为蓝色。
（3）化学方程式：
N2＋3H2
2NH3（放热反应）。
3．工业合成氨的条件
[跟随名师·解疑难]
（1）工业合成氨的反应是一个气体体积减小的放热反应。
（2）合成氨条件的选择：
①压强：
无论从反应速率还是化学平衡考虑，压强越大越有利于合成氨。
但压强太大，动力消耗大，设备的质量和制造水平要求高，故必须综合考虑。
目前我国合成氨厂一般采用的压强在10～30MPa之间。
②温度：
对于放热反应，升温可提高反应速率，但转化率降低，若温度太低，反应速率又太慢，综合考虑以500℃左右为宜，而且在此温度下催化剂活性最大。
③催化剂：
加快反应速率但不影响平衡，可以提高单位时间内氨的产量。
目前工业上多以铁触媒为催化剂。
[剖析典例·探技法]
[例1] 有关合成氨工业的叙述，不能用勒夏特列原理解释的是（ ）
A．使用铁触媒有利于合成氨的反应
B．高压比常压更有利于合成氨的反应
C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D．使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应
[名师解析] 使用铁触媒，可以加快化学反应速率，缩短达到平衡的时间，但平衡不会发生移动，不能用勒夏特列原理解释；合成氨的反应是放热反应，低温虽可提高平衡混合物中NH3的含量，但反应速率太慢，而温度太高，虽能加快反应速率，却使平衡混合物中NH3的含量降低，因此工业生产中一般采用500℃左右的温度，此时催化剂的活性最大，故不能用勒夏特列原理解释。
[答案] AC
[名师点睛]
合成氨条件的理论分析与实际化工条件比较
理论角度
实际化工条件
速率角度
提高反应速率的条件：
①升高温度；②增大压强；③增大反应物浓度；④使用催化剂
温度：
400～500℃
压强：
10～30Mpa
催化剂：
以铁为主
平衡角度
①温度越高，NH3的产率越低；②压强越大，NH3的产率越高；③不断分离出NH3，有利于提高反应物的转化率
合成氨的基本生产过程
[自读教材·夯基础]
合成氨的生产主要包括三个步骤：
造气、净化、合成。
1．制备合成氨的原料气
CH4＋H2O
CO＋3H2、
CH4＋2H2O
CO2＋4H2。
2．原料气的净化
（1）目的是防止催化剂中毒。
（2）原料气的净化：
①用稀氨水吸收H2S的化学方程式：
H2S＋NH3·H2O===NH4HS＋H2O。
②除去CO的有关化学方程式：
CO＋H2O
CO2＋H2，
CO2＋K2CO3＋H2O===2KHCO3。
③精制原料气：
用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收CO、CO2、O2、H2S等少量有害气体。
3．氨的合成与分离
（1）氨的合成：
将净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入合成塔，在高温、高压和催化剂作用下合成氨。
（2）从合成塔出来的混合气体，通常约含15%（体积分数）的氨，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并导入液氨贮罐，气体再经过循环压缩机送到合成塔中进行反应。
[跟随名师·解疑难]
（1）生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率。
因此合成氨生产中常适当提高N2的比例。
（2）为了充分利用原料，化工生产过程中经常采用循环操作过程，即将没有反应的物质从反应后的混合物中分离出来，并重新送回反应器中。
[剖析典例·探技法]
[例2] 下图是合成氨的简易流程示意图，沿X路线回去的物质是（ ）
A．N2、H2 B．催化剂
C．N2D．H2
[名师解析] 从合成塔中出来的混合气体经冷凝分离出液氨后剩下未反应的N2、H2，可以进行循环继续参与氨的合成。
[答案] A
[名师点睛]
为了提高合成氨生产的综合经济效益，有三点是不可忽视的：
①使原料气中n（N2）∶n（H2）≈1∶3；②将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后输入合成塔再次利用；③及时将NH3从平衡混合物中分离出来。
合成氨工业的发展
[自读教材·夯基础]
1．原料及原料气的净化
现在已经使用各种不同的固态可燃物（煤和焦炭等）、液态可燃物（石油中提炼的石脑油和重油等）和气态可燃物（天然气、焦炉气等）作为制氨气的原料。
2．催化剂的改进
催化反应过程的工艺条件常常决定于催化剂的性能，由于催化剂的突破而彻底改变工艺过程及条件的事例屡见不鲜。
3．环境保护
废渣：
可作建材和肥料的原料。
废气：
主要是H2S和CO2等有害气体，CO2虽然是无毒、无害的物质，但随着人们对其可能产生温室效应的关注，减少CO2的排放逐渐受到重视。
废液：
主要是含氰化物和含氨的污水。
[剖析典例·探技法]
[例3] 为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中具有开发价值的是（ ）
A．研制高温下活性较大的催化剂
B．寻求NH3的新来源
C．研制低温下活性较大的催化剂
D．研制耐高温高压的新型材料建造合成塔
[名师解析] 合成氨的反应是放热反应，降低温度有利于提高合成氨的生产效率。
研制低温下活性大的催化剂可改善工艺过程，降低成本，提高综合经济效益。
[答案] C
合成氨的生产工艺
（1）生产原理：
N2＋3H2
2NH3。
（2）生产条件
（3）工艺流程：
（4）三废处理。
化工生产中反应条件选择的基本思路
（1）目的：
尽可能加快化学反应的速率和提高化学反应的程度。
（2）依据：
外界条件对化学反应的速率和化学平衡的影响。
（3）原则：
①既要注意外界条件对两者影响的一致性，又要注意对两者影响的矛盾性。
②既要注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制。
③既要注意理论生产，又要注意实际可能性。
1．合成氨的反应采用400～500℃温度的原因是（ ）
A．温度太低反应速率太小
B．该温度时催化剂活性较高
C．该温度时反应速率最大
D．该温度时N2的转化率最高
解析：
在400～500℃时催化剂的活性较高。
答案：
B
2．[双选题]下列关于氮气、氢气合成氨的说法中，正确的是（ ）
A．将氮气、氢气合成氨，必须施加高温、高压、催化剂等反应条件
B．在氮气、氢气合成氨的化学反应中，催化剂的性能对反应物的温度和压强的高低具有一定的制约作用
C．现代工业上实施的合成氨压强越高越有利
D．现代工业上实施的合成氨属于人工固氮
解析：
催化剂是影响化学反应速率外部因素中的主角，催化剂固有性能的发挥与温度有直接的关系，温度太高或太低，都会降低催化剂的活性，A错误，B正确；压强越高越有利于氨的合成，但在工业生产中受到设备等多方面的制约，并不是压强越高经济效益越好，C错误；将游离态的氮转化为化合态的氮属于氮的固定，D正确。
答案：
BD
3．合成氨工业有下列生产流程：
①原料气的制备；②氨的合成；③原料气的净化和压缩；④氨的分离。
其先后顺序正确的是（ ）
A．①②③④ B．①③②④
C．①③④②D．②③①④
解析：
原料气（N2、H2）经净化、压缩后再送入合成塔。
答案：
B
4．下列有关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，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低
B．由于氨易液化，N2、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℃左右，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10～30MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大
解析：
虽然合成氨反应中N2、H2的转化率较低，但是，由于氨易液化，及时将氨液化分离，N2、H2循环使用，总体来说氨的产率还是很高的，B正确。
答案：
B
5．工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应：
N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g）
其部分工艺流程如下图所示：
请回答下列问题：
（1）第②步除需要催化剂这个条件外，还需要的条件是________________________
______________________________________________________________________。
（2）第①步操作中的原料气的“净化”目的是__________________________________
________________________________________________________________________，
第③步操作中的目的是____________________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。
这种分离物质的方法的原理类似于下列中的________（填编号）。
a．过滤b．蒸馏
c．分液d．萃取
你作出这个判断的理由是_________________________________________________
_______________________________________________________________________。
（4）可以用氯气来检验输送氨气的管道是否漏气，如果漏气则会有白烟生成。
该反应的化学方程式为________________________________。
解析：
（1）工业合成氨需要条件为：
高温、高压、催化剂。
（2）原料气中往往含有使催化剂中毒的物质，所以在进行原料气的反应前，需要除掉其中的杂质；工业合成氨反应后的混合气体中既有氨气，也有未反应的氢气、氮气，为了提高原料气的利用率，将未反应的原料气进行重新利用，这样可以提高经济效益。
（3）降低温度，氨变为液态，从而进行分离，所以跟工业上利用的蒸馏类似，都是通过改变温度，使物质的状态发生变化而分离。
（4）8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2，NH4Cl的固体小颗粒形成白烟。
答案：
（1）高温、高压
（2）防止催化剂中毒 提高原料利用率（或提高经济效益等）
（3）b 通过温度的改变而改变物质的状态，达到分离的目的
（4）8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2
[高考感悟]
1．（全国卷Ⅰ）在容积可变的密闭容器中，2molN2和8molH2在一定条件下发生反应，达到平衡时，H2的转化率为25%，则平衡时氮气的体积分数接近于（ ）
A．5% B．10%
C．15%D．20%
解析：
本题考查化学平衡的计算，意在考查考生的计算能力。
N2（g） ＋ 3H2（g）2NH3（g）
起始物质的量/mol280
转化物质的量/mol2/324/3
平衡物质的量/mol4/364/3
故平衡时氮气的体积分数为
×100%≈15%。
答案：
C
2．（上海高考节选）合成氨工艺的一个重要工序是铜洗，其目的是用铜液[醋酸二氨合铜（Ⅰ）、氨水]吸收在生产过程中产生的CO和CO2等气体。
铜液吸收CO的反应是放热反应，其反应方程式为：
Cu（NH3）2Ac＋CO＋NH3[Cu（NH3）3CO]Ac
完成下列填空：
（1）如果要提高上述反应的反应速率，可以采取的措施是________。
（选填编号）
a．减压 b．增加NH3浓度 c．升温 d．及时移走产物
（2）铜液中的氨可吸收二氧化碳，写出该反应的化学方程式。
________________________________________________________________________
（3）简述铜液吸收CO及铜液再生的操作步骤（注明吸收和再生的条件）。
________________________________________________________________________
解析：
（1）降低压强，反应速率减小，a不正确；增加NH3的浓度或升高温度，反应速率均增大bc正确；及时移走产物，即降低生成物浓度，反应速率也减小，d不正确。
（2）氨气是碱性气体，CO2是酸性气体，二者反应的化学方程式为2NH3＋CO2＋H2O===（NH2）2CO3、（NH2）2CO3＋CO2＋H2O===2NH4HCO3。
（3）根据Cu（NH3）2Ac＋CO＋NH3[Cu（NH3）3CO]Ac可知，该反应是体积减小的放热的可逆反应，因此吸收CO的适宜条件是低温、加压，若要再生，则只需要将铜液洗涤转移至另一容器中；然后高温低压下释放CO，最后将铜洗液循环利用即可。
答案：
（1）bc
（2）2NH3＋CO2＋H2O―→（NH4）2CO3、（NH4）2CO3＋CO2＋H2O―→2NH4HCO
（3）①低温加压下吸收CO；②然后将铜液洗涤转移至另一容器中；③高温低压下释放CO，然后将铜洗液循环利用。
3．（上海春季高考）1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。
下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是（ ）
A．①②③ B．②④⑤
C．①③⑤D．②③④
解析：
合成氨反应为N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）（放热反应），加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动，②、④正确；将原料气循环利用也可提高原料的转化率，⑤正确。
答案：
B
[课时跟踪训练]
一、选择题（本题包括10小题，每小题5分，共50分）
1．合成氨工业上采用循环操作，主要是为了（ ）
A．加快反应速率
B．提高NH3的平衡浓度
C．降低NH3的沸点
D．提高N2和H2的利用率
解析：
合成氨工业上采用循环压缩，将未反应的N2、H2重新压缩到合成塔中，提高了N2、H2的利用率。
答案：
D
2．工业上用氢气和氮气合成氨，氢气的主要来源是（ ）
A．水和碳氢化合物B．电解水
C．锌和稀硫酸反应D．液化空气
解析：
B、C项生产H2成本太高，不符合实际，D项液化空气得N2；A项正确。
答案：
A
3．合成氨工业中控制的反应条件应（ ）
A．温度越高越好
B．压强越大越好
C．混合气体中氢气含量越高越好
D．所选的催化剂活性越大越好
解析：
工业合成氨的热化学方程式为N2（g）＋3H2（g）2NH3（g） ΔH＝－92.4kJ·mol－1，似乎压强越大就越有利于平衡向合成氨的方向移动，温度越高达到平衡的时间就越短，易错选A或B。
实际上在合成氨的工业生产中，压强不能太大，否则能耗太高，并且对设备的要求高。
而根据化学平衡移动原理，此反应温度越低越有利于平衡向正方向移动，但温度太低，则催化剂的催化活性不能很好地发挥，反应速率太慢；为解决上述矛盾，一般选择使催化剂活性最大时的温度。
答案：
D
4．合成氨时既要使氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是（ ）
①减压 ②加压 ③升温 ④降温 ⑤及时从平衡混合气中分离出NH3 ⑥补充N2或H2 ⑦加催化剂⑧减小N2或H2的量
A．①④⑤⑦B．③⑤⑧
C．②⑥D．②③⑥⑦
解析：
合成氨反应N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g） ΔH<0的特点为：
可逆、放热、气体分子总数减小。
要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快，应选C。
答案：
C
5．下列有关催化剂的性质、作用的说法正确的是（ ）
A．合成氨反应若不使用催化剂，该反应就不能进行
B．反应前后催化剂的质量不改变，但化学性质要改变
C．催化剂能缩短反应到达平衡所用的时间，但催化剂损耗量较大
D．催化剂可以同等程度地改变正、逆反应速率
解析：
反应前后催化剂的质量和化学性质都没有改变，催化剂可以同等程度地改变正、逆反应速率。
答案：
D
6．对于可逆反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）（放热反应），下列说法正确的是（ ）
A．达到平衡时反应物和生成物浓度一定相等
B．达到平衡后加入氨气，重新达到平衡时，氨气的浓度比原平衡时大
C．达到平衡时，升高温度加快了吸热反应的速率，降低了放热反应的速率，所以平衡向逆反应的方向移动
D．加入催化剂可以缩短到达平衡的时间，这是因为加快了正反应的速率，而减慢了逆反应的速率
解析：
反应物和生成物浓度是否相等与反应是否达到平衡状态无关，A不正确；升高温度，不论放热反应还是吸热反应的反应速率都加快，C不正确；催化剂可以同等程度地改变正逆反应的反应速率，D不正确。
答案：
B
7．在一定条件下，进入氨合成塔的混合气体中氮气的体积占22%，氢气的体积占78%，经合成反应达到平衡后，在相同温度和压强下，气体体积缩小至原体积的95%，氮气的转化率接近于（ ）
A．11.5%B．10.5%
C．9.75%D．13.2%
解析：
设混合气体的体积为100L，反应掉N2的体积为x。
N2 ＋ 3H22NH3
开始 22L 78L 0
平衡 22L－x 78L－3x 2x
由题意：
＝95%
解得x＝2.5L
α（N2）＝
×100%＝11.4%。
答案：
A
8．对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，下列叙述中正确的是（ ）
A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响
B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间
C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有增大压强对化学平衡状态有影响
D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而增大压强无此作用
解析：
对化学反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g），催化剂只能提高反应速率使反应达到平衡状态所用的时间缩短，不能使化学平衡发生移动。
施以高压能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的反应方向移动。
答案：
C
9．一定条件下，合成氨气反应达到平衡时，测得混合气体中氨气的体积分数为20.0%，与反应前的体积相比，反应后体积缩小的百分率是（ ）
A．16.7%B．20.0%
C．80.0%D．83.3%
解析：
设达到平衡后混合气体的体积为1L，则其中生成的氨气的体积为1L×20.0%＝0.2L。
则根据反应的化学方程式有：
N2＋3H22NH3 ΔV
1322
0.2L0.2L
所以平衡前混合气体的体积为1L＋0.2L＝1.2L，因此反应后气体体积缩小率为
×100%＝16.7%。
答案：
A
10．对于可逆反应N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g）（正反应为放热反应），下列说法中正确的是（ ）
A．达到平衡后加入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，H2的浓度比原平衡也大
B．达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应的速率，又提高了NH3的产率
C．达到平衡后，缩小容器的体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的转化率
D．加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，逆反应速率减小
解析：
达到平衡后，加入N2平衡向正反应方向移动，NH3的浓度增大了，而H2的浓度会减小；达到平衡后，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平衡向逆反应方向移动，不利于NH3的生成；达到平衡后，缩小体积即增大压强，正、逆反应速率都增大，平衡向正反应方向移动，有利于提高H2的转化率；加入催化剂，能同等程度地增大正、逆反应速率，缩短反应达到平衡的时间。
答案：
C
二、非选择题（本题包括4小题，共50分）
11．（12分）工业上合成氨的化学反应为N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g）（正反应为放热反应）。
（1）使用铁触媒催化剂是为了_________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）通常采用1×107～3×107Pa的压强，原因是________________________________
________________________________________________________________________。
（3）选择500℃左右的温度进行反应，是由于__________________________________
________________________________________________________________________。
（4）将生成的氨及时从混合气中分离出来，原因是______________________________
________________________________________________________________________。
解析：
工业合成氨使用铁触媒是为了提高化学反应速率；采用1×107～3×107Pa的压强一方面是为了提高反应速率，同时也可以增大反应物的转化率，但更高的压强则受到设备的限制；选择500℃左右的温度，一方面是为了提高反应速率，更主要的是因为催化剂的活性在此温度时最大；将生成的氨液化后分离出来可使平衡向右移动，反应物的转化率能大大提高。
答案：
（1）提高反应速率
（2）该反应是一个气体体积减小的反应，增大压强，有利于平衡向正反应方向移动，压强过高，对动力、设备要求过高，成本增大，也会降低经济效益，所以综合考虑，通常采用1×107～3×107Pa的压强
（3）合成氨的反应是放热反应，温度升高，不利于氨的生成，但温度过低，反应速率很慢，故采用500℃左右的适宜温度，且500℃左右时催化剂的活性最大
（4）减小生成物氨的浓度，有利于化学平衡向正反应方向移动
12．（12分）合成氨工业中，原料气（N2、H2，混有少量CO、NH3）在进入合成塔之前，常用醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液来吸收CO，其化学反应为：
CH3COO[Cu（NH3）2]＋CO＋NH3CH3COO[Cu（NH3）3]·CO（正反应为放热反应）。
（1）必须除去CO的原因是___________________________________________________。
（2）醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液吸收原料气中CO的适宜条件是________________________。
（3）吸收CO后的醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液经适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力而循环使用，其再生的条件是________________________。
解析：
合成氨流程中的除杂，是为了除去能使催化剂中毒的物质。
题中指出：
在合成氨的过程中必须除去CO，因此CO是属于使催化剂中毒的物质。
从吸收CO的化学方程式可得：
吸收CO的反应是正反应为气体体积缩小的放热反应，因此为了使CO尽可能地被吸收，应采取高压、低温的办法使平衡正向移动；要使醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液再生，即要使平衡逆向移动，故必须采取低压、高温的办法。
答案：
（1）防止CO使催化剂中毒
（2）高压、低温，并于醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液中加入较浓氨水 （3）低压、高温
13．（12分）已知工业合成氨
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