专题二十八化学与技术.docx

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专题二十八化学与技术

专题二十八　化学与技术

考纲展示　命题探究

1　工业生产硫酸

（1）生产流程和原理

（2）“三废”处理

①尾气吸收

a．石灰水吸收法：

SO2＋Ca（OH）2===CaSO3＋H2O，

CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O。

b．氨水吸收法：

SO2＋2NH3＋H2O===（NH4）2SO3，

（NH4）2SO3＋H2SO4===（NH4）2SO4＋SO2↑＋H2O。

②污水处理：

根据杂质的性质不同，采用不同的化学方法进行处理，如酸碱中和法、重金属离子沉淀法。

③废渣利用：

制砖或制造水泥，提炼贵重的有色金属。

学霸巧学卡　硫酸工业生产中注意的问题

（1）通入接触室的混合气体必须预先净化，原因是炉气中含有二氧化硫、氧气、氮气、水蒸气以及砷、硒化合物、矿尘等。

砷、硒化合物和矿尘等会使催化剂中毒；水蒸气对生产和设备有不良影响。

（2）用98.3%的浓硫酸来吸收SO3，若用水或稀硫酸吸收，容易形成酸雾，且吸收速率慢。

2　合成氨工业

（1）反应原理

N2＋3H2

2NH3（放热反应）

（2）基本生产过程

①生产流程示意图

②主要原理

净化

3　工业制硝酸

（1）原理：

4NH3＋5O2

4NO＋6H2O（常用铂作催化剂），2NO＋O2===2NO2，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO（增压、降温，同时补充空气）。

（2）尾气净化

①用Na2CO3溶液吸收氮的氧化物得到亚硝酸钠和硝酸钠：

2NO2＋Na2CO3===NaNO2＋NaNO3＋CO2。

②用各种燃料气中的甲烷、氢气等将氮的氧化物还原为氮气和水：

H2＋NO2===NO＋H2O,2H2＋2NO===N2＋2H2O；CH4＋4NO2===4NO＋CO2＋2H2O，CH4＋4NO===2N2＋CO2＋2H2O。

4　纯碱工业

氨碱法和联合制碱法的比较

氨碱法（索尔维）

联合制碱法（侯德榜）

原理

NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl

2NaHCO3

Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑

原料

NaCl、NH3、CaCO3（制备CO2和CaO）

NaCl、NH3、CO2

续表

氨碱法（索尔维）

联合制碱法（侯德榜）

生产流程

优点

①原料（食盐和石灰石）便宜易得

②产品纯碱的纯度高

③副产品氨和二氧化碳都可以回收循环使用

④制造步骤简单，适合于大规模生产

除了氨碱法的优点外，还有

①食盐的利用率提高到96%以上

②消除了废弃物氯化钙的生成，减少了环境污染

③使合成氨厂的原料气CO2转化成产品，减少了由CaCO3制CO2这一工序

学霸巧学卡　工业制碱过程中的注意事项

（1）向饱和食盐水中通入氨气和二氧化碳的顺序：

应先通氨气再通二氧化碳，因为氨气在水中的溶解度大，先通氨气会吸收更多的二氧化碳，有利于生成较多的碳酸氢钠而析出。

（2）在氨碱法和联合制碱法的过程中，CO2均可循环利用。

（3）第一步反应得到的不是纯碱而是NaHCO3，需将NaHCO3加热分解才能获得Na2CO3。

5　精细化工产品

（1）化肥和农药

①常见化肥的种类、用途和使用注意事项

实例

作用

使用注意事项

氮肥

尿素[CO（NH2）2]、碳酸氢铵（NH4HCO3）、硝酸铵等

氮是合成蛋白质、核酸、叶绿素的重要元素，可使植物枝繁叶茂

a.铵态氮肥不宜与草木灰等碱性肥料混合施用b.（NH4）2SO4长期大量使用会造成土壤板结、土质酸化

磷肥

重过磷酸钙[Ca（H2PO4）2]、

普通过磷酸钙

[Ca（H2PO4）2·H2O

和CaSO4]、钙镁磷肥

[Ca3（PO4）2和

Mg3（PO4）2]等

可使作物根系发达，增强耐寒抗旱能力，穗粒增多，籽粒饱满

不宜与碱性肥料混合施用，最好与农家杂肥配合施用

续表

实例

作用

使用注意事项

钾肥

KCl、K2SO4、KNO3、K2CO3（草木灰）

促进作物生长，增强抗病虫害和抗倒伏能力

a.易溶于水，不宜在多雨季节施用

b.K2SO4的长期大量施用会造成土壤板结、土质酸化

复合肥

KNO3、（NH4）2HPO4、NH4H2PO4

协同作用，使作物生长营养均衡，提高效能

a.KNO3不宜在雨季施用b.（NH4）2HPO4、NH4H2PO4不宜与碱性肥料混合施用

②常见化肥的生产原理

a．尿素的生产原理

2NH3＋CO2

H2NCOONH4、H2NCOONH4

CO（NH2）2＋H2O。

b．硝酸铵的生产原理：

4NH3＋5O2

4NO＋6H2O、2NO＋O2===2NO2、3NO2＋H2O===2HNO3＋NO、NH3＋HNO3===NH4NO3。

c．普钙的生产原理：

2Ca5（PO4）3F＋7H2SO4===7CaSO4＋3Ca（H2PO4）2＋2HF↑。

③农药——农作物的保护神

A．分类

B．农药的种类及特点

种类

特点和用途

实例

杀虫剂

杀死害虫，防治虫害。

第三代农药具有高效、低毒和低残留的特点

拟除虫菊酯和特异性农药等

杀菌剂

阻止病菌的侵入（保护性杀菌），可以进入植物体内的内吸性杀菌

波尔多液（硫酸铜和熟石灰的混合物）

除草剂（除莠剂）

杀死杂草而不伤害作物，节省劳动力，提高栽培技术

除草剂2,4D

植物生长调节剂

促进或抑制植物生长

乙烯、乙烯利等

C.农药对土壤和环境造成的不良影响

a．对农产品造成污染，危及食品安全；

b．对环境造成严重污染，危及人类身体健康和生命安全；

c．破坏生物链，影响生态平衡。

学霸巧学卡　使用杀虫剂的注意事项

（1）使用正规厂家生产的杀虫剂，避免使用假冒伪劣产品。

假冒伪劣杀虫剂可能会导致人体中毒或发生燃烧爆炸事件。

（2）使用气雾型杀虫剂时，应严格按照使用说明使用：

勿接近火源，不可存放在冰箱里，不可朝电器喷射等。

（3）使用杀虫剂时要避免误食，防止与皮肤直接接触，减少对呼吸道的刺激。

（4）注意杀虫剂的使用范围和保存方法。

（2）洗涤剂

①组成：

洗涤剂是以一种或数种表面活性剂为主要成分，加入少量杀菌剂、织物柔顺剂、荧光增白剂或有其他特殊功能的添加剂制成的日用化学品。

②种类

洗涤剂有块状、粉状、液体状的，常用的洗涤剂有：

分类

名称

厨房用洗涤剂

洗洁精、去污粉、油烟净等

织物用洗涤剂

肥皂、洗衣粉、丝毛洗涤剂、衣领净等

身体清洁用洗涤剂

香皂、沐浴液、洗手液等

其他

洁厕剂、地毯清洗剂等

③肥皂

a．原理

高级脂肪酸甘油酯在碱性条件下水解形成高级脂肪酸盐（即肥皂）。

b．生产流程

c．对环境的影响：

在自然界能被微生物分解，不会积累污染。

④合成洗涤剂

合成洗涤剂分固态（洗衣粉）和液态（洗洁精）两大类，其主要成分是烷基苯磺酸钠或烷基磺酸钠等。

A．合成洗涤剂的优点

a．不受水质限制，在含Mg2＋、Ca2＋的水中使用也不丧失去污能力。

b．去污能力更强，并且适合洗衣机使用。

c．合成洗涤剂的主要原料是石油裂解产品，原料便宜。

B．合成洗涤剂对环境的影响

a．有的洗涤剂十分稳定，难以被细菌分解，污水积累，使水质变坏。

b．有的洗涤剂含有磷元素，造成水体富营养化，促使水生藻类大量繁殖，水中的溶解氧含量降低，使水质变坏。

C．合成洗涤剂的制备

1．与索尔维制碱法相比，侯德榜制碱法最突出的优点是（　　）

A．原料利用率高B．设备少

C．循环利用的物质多D．原料易得

答案　A

解析　联合制碱法，生产了副产品NH4Cl，所以提高了原料的利用率。

2．工业上常用氨氧化法生产硝酸，其过程包括氨的催化氧化（催化剂为铂铑合金丝网）、一氧化氮的氧化和水吸收二氧化氮生成硝酸。

请回答下列问题：

（1）氨催化氧化的化学方程式为______________；

（2）原料气中空气必须过量，其主要原因是__________________；

（3）将铂铑合金做成薄丝网的主要原因是___________________；

（4）水吸收二氧化氮生成硝酸为放热反应，其化学方程式为________________，为了提高水对二氧化氮的吸收率，可采取的措施为________（答两项）。

答案　

（1）4NH3＋5O2

4NO＋6H2O

（2）提高氨的转化率和一氧化氮的转化率

（3）增大催化剂与反应物的接触面积

（4）3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　加压、降温

解析　

（2）根据平衡原理，增大反应物的浓度，平衡向正反应方向移动，以提高原料的转化率。

（3）增大铂铑合金的表面积，使接触面积增大，提升催化的效果。

（4）为了提高吸收率，可根据溶解过程放热采用降温处理，且气体的吸收可用加压的方式。

　[考法综述]　化学知识可以应用于工农业生产，工农业生产也离不开化学知识。

因此高考往往会涉及化学与工农业生产的题型，这类题型常考查水的综合处理、典型工业生产工艺（如工业合成氨、硫酸生产等）、化肥和农药的使用等方面。

考查的主要方式：

①单一地考查某项生产工艺；②整合多项生产工艺或化学反应原理进行综合考查。

命题法1　化学原理在硫酸工业生产中的应用

典例1　　工业接触法制硫酸的流程如图所示：

（1）写出沸腾炉中发生反应的化学方程式：

______________。

（2）从沸腾炉出来的气体经净化干燥处理后进入接触室，其气体体积组成：

SO27%，O211%，N282%。

从接触室出来的气体中SO3的体积分数为7%，则SO2的转化率为____________。

（3）接触室采用常压而不采用高压的原因是__________________。

（4）在吸收塔中用98.3%的浓硫酸吸收SO3，而不是用水吸收SO3的原因是__________________________________________。

每100gSO3与H2O完全反应放出热量162.9kJ，该反应的热化学方程式为______________________。

（5）某硫酸厂每天用含FeS260%的黄铁矿500t生产硫酸，如果在沸腾炉内损失5%的硫，SO2的转化率为90%。

每天能生产98%的硫酸____________t。

[解析]　

（1）沸腾炉中利用黄铁矿和氧气反应制取SO2，反应方程式为4FeS2＋11O2

2Fe2O3＋8SO2。

（2）假设进入接触室中混合气的体积为100L，则V（SO2）＝7L，V（O2）＝11L，V（N2）＝82L。

根据反应方程式：

2SO2＋O2

2SO3。

设反应的氧气为XL，则平衡时：

V（O2）＝（11－X）L，V（SO2）＝（7－2X）L，V（SO3）＝2XL，V（N2）＝82L；根据平衡时SO3的体积分数为7%，列式得：

×100%＝7%，解之得：

X≈3.38，α（SO2）＝

×100%≈96.6%。

（3）在常压下SO2的转化率已很高，没必要采用高压，增加设备成本。

（4）用98.3%的浓硫酸吸收SO3，可以减少酸雾的形成，提高吸收效率。

根据100gSO3与H2O完全反应放出热量162.9kJ，则1molSO3与H2O完全反应放热Q＝

＝130.32kJ，故该热化学方程式为SO3（g）＋H2O（l）===H2SO4（l）　ΔH＝－130.32kJ·mol－1。

（5）利用关系式：

FeS2　　～　　2SO2　～　2SO3　～　2H2SO4

120　　　　　　　　　　　　　　　　　2×98

500t×60%×90%×（1－5%）　　m（H2SO4）×98%

则m（H2SO4）＝

＝427.5t。

[答案]　

（1）4FeS2＋11O2

2Fe2O3＋8SO2

（2）96.6%

（3）常压下SO2的转化率已很高，若再采用高压反而会增加设备成本

（4）防止形成酸雾，提高吸收效率　SO3（g）＋H2O（l）===H2SO4（l）　ΔH＝－130.32kJ·mol－1

（5）427.5

【解题法】　硫酸工业生产中化学原理的应用及有关计算

1．硫酸工业生产流程中的化学原理应用

（1）化学反应速率和化学平衡原理

①增大化学反应速率的措施

在沸腾炉中燃料燃烧时，将原料粉碎，增大与空气的接触面积。

②反应条件的选择

a．温度：

400～500℃，根据平衡移动原理，反应应在低温下进行，但低温时催化剂的活性不高，反应速率低，实际生产中采用400～500℃的温度。

b．压强：

根据平衡移动原理，应在高压下进行，但增大压强对SO2的转化率提高不大，且加压会增大成本和能量消耗，而常压下SO2的转化率已很高，所以实际生产中采用常压操作。

c．适当过量的空气：

提高SO2的转化率。

（2）逆流原理：

沸腾炉中原料从炉顶落下，热空气从炉底吹入，使原料与助燃气体充分接触，反应进行充分彻底；吸收塔中使用大量耐酸瓷环（片），浓硫酸从塔顶喷下，三氧化硫气体从塔底吹入，提高吸收程度。

（3）热交换原理：

由于2SO2＋O22SO3是放热反应，在接触室内使用热交换器，用反应后热的气体预热接触室的原料气，达到节约能源，降低生产成本的目的。

（4）循环操作：

由于2SO2＋O22SO3是可逆反应，尾气中还有一定的SO2和O2，再通过一定措施将这部分气体送回接触室，提高原料利用率，同时减少废气排放。

2．有关计算

（1）元素守恒法：

根据某种关键元素的质量守恒，找出关系式，可简化计算过程，方便快捷。

若已知（欲求）FeS2的含量，可用FeS2～2H2SO4的关系式；若已知（欲求）S的含量，可用S～H2SO4的关系式，且二氧化硫转化率、三氧化硫吸收率均可折算成起始物FeS2（或S）进行计算。

（2）常见量的计算公式

①矿物的纯度＝

×100%。

②原料利用率＝

×100%。

③原料转化率＝原料利用率＝1－原料损失率。

④产率＝

×100%。

⑤多步反应的总转化率＝各步反应转化率的乘积。

命题法2　氨在工农业生产中的应用

典例2　　氨是一种重要的化工原料，在工农业生产中有很多重要应用。

Ⅰ.工业合成氨的流程示意图如下：

回答下列问题：

（1）设备A中含有电加热器、触媒和热交换器，设备A的名称是________，其中发生反应的化学方程式为_________________；原料氢气的来源是水和碳氢化合物，写出分别采用煤和天然气为原料制取氢气的化学反应方程式：

__________________、_______________。

（2）设备B的名称是________，其中m和n是两个通水口，入水口是________（填“m”或“n”）。

不宜从相反方向通水的原因是__________________________________。

（3）设备C的作用是______________________________________。

Ⅱ.制碱工业主要有“氨碱法”和“联合制碱法”两种工艺，氨碱法的工艺如下图所示：

（4）图中的中间产物C是________，D是________（写化学式）。

（5）碳酸化塔中发生反应的化学方程式为_________________。

（6）联合制碱法对氨碱法进行了改进，更加符合绿色化学的重要原则，提高了反应的原子利用率。

根据“联合制碱法”总反应，列出计算原子利用率的表达式：

原子利用率（%）＝________。

[解析]　

（1）合成氨气在合成塔中进行，煤和天然气在高温下都能与水蒸气反应生成氢气。

（2）设备B是冷却塔，冷却一般是下进上出（或低进高出），逆流冷却效果较好。

（3）设备C是氨分离器，及时将氨分离出去，有利于向合成氨方向进行（正向进行）。

（4）根据图示，石灰窑生成的A为氧化钙，与水反应生成氢氧化钙，所以图中的中间产物C是Ca（OH）2，碳酸化塔中产物为碳酸氢钠和氯化铵，反应物为氨气、氯化钠和二氧化碳，所以D为氨气。

（5）碳酸化塔中发生的反应为NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl。

（6）联合制碱法的总的关系可表示为NH3＋CO2＋H2O＋NaCl

NaHCO3↓＋NH4Cl，故原子的利用率表达式为

×100%＝

×100%。

[答案]　

（1）合成（氨）塔　N2＋3H2

2NH3

C＋H2O

CO＋H2　CH4＋H2O

CO＋3H2

（2）冷却塔（或冷凝器）　n　高温气体由冷却塔上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好

（3）将液氨与未反应的原料气分离

（4）Ca（OH）2　NH3

（5）NH3＋CO2＋H2O＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl

（6）

×100%＝

×100%

【解题法】　化工流程的关注点

（1）生产中原料的选择

选择原料时考虑因素：

化学反应原理、厂址选择、原料、能源、工业用水的供应能力、存贮、运输、预处理成本及环境保护等。

（2）生产中反应条件的控制

化工生产选择适宜条件的目的是尽可能加快反应速率和提高反应进行的程度，依据外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的规律确定。

（3）生产中三废的处理

化工生产必须保护环境，严格治理“三废”，并尽可能把“三废”变为有用的副产品，实现原料的综合利用。

（4）能量的充分利用

化工生产中应充分利用反应热，这对于降低成本具有重要意义。

硫酸生产中的反应热不仅用于预热反应物满足自身能量的需要，而且还可以由硫酸厂向外界输出大量能量（供热发电）。

（5）绿色化学

中学化学中涉及的化工生产知识渗透绿色化学的观点，具体体现在如下几个方面：

①节省资源，提高原料转化率和利用率。

例如，在合成氨工业、联合制碱法等工艺流程中采取了循环操作，体现了绿色化学中节省能源的基本原理。

②化工生产中均涉及尾气回收方法和处理装置以防止或减少环境污染。

1．工业上利用氨氧化获得的高浓度NOx气体（含NO、NO2）制备NaNO2、NaNO3，工艺流程如下：

已知：

Na2CO3＋NO＋NO2===2NaNO2＋CO2

（1）中和液所含溶质除NaNO2及少量Na2CO3外，还有________（填化学式）。

（2）中和液进行蒸发Ⅰ操作时，应控制水的蒸发量，避免浓度过大，目的是________。

蒸发Ⅰ产生的蒸汽中含有少量NaNO2等有毒物质，不能直接排放，将其冷凝后用于流程中的________（填操作名称）最合理。

（3）母液Ⅰ进行转化时加入稀HNO3的目的是________。

母液Ⅱ需回收利用，下列处理方法合理的是________。

a．转入中和液b．转入结晶Ⅰ操作

c．转入转化液d．转入结晶Ⅱ操作

（4）若将NaNO2、NaNO3两种产品的物质的量之比设为2∶1，则生产1.38吨NaNO2时，Na2CO3的理论用量为________吨（假定Na2CO3恰好完全反应）。

答案　

（1）NaNO3

（2）防止NaNO3的析出'溶碱

（3）将NaNO2转化为NaNO3cd

（4）1.59

解析　

（1）结合流程图分离Ⅱ得到NaNO3，可知中和液中含有NaNO3。

（2）蒸发Ⅰ产生的蒸汽中含有NaNO2，可用该蒸汽进行溶碱以回收NaNO2。

（3）母液Ⅰ中加入稀硝酸和空气可以将NaNO2氧化为NaNO3。

母液Ⅱ中所含溶质主要为NaNO3，故需要转入转化液或结晶Ⅱ操作。

（4）根据钠元素守恒计算，n（NaNO2）＝

＝2×104mol,n（NaNO3）＝1×104mol，故n（Na2CO3）＝1.5×104mol，m（Na2CO3）＝1.5×104mol×106g·mol－1＝1.59×106g，即1.59吨。

2．苯酚和丙酮都是重要的化工原料，工业上可用异丙苯氧化法生产苯酚和丙酮，其反应和工艺流程示意图如下：

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