选修2第一讲化学与工农业生产.docx

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选修2第一讲化学与工农业生产

第一讲　化学与工农业生产

[2017高考导航]

考纲要求

真题统计

命题趋势

1.了解我国无机化工的生产资源和产品的主要种类。

2．了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义，认识催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义。

3．了解精细化工产品的生产特点、精细化工在社会发展中的作用。

4．了解化学肥料、农药等在农业生产中的作用。

2015，卷Ⅰ36T

（2）（5）；

2015，卷Ⅱ36T（3）；

2014，卷Ⅰ36T（4）；

2014，卷Ⅱ36T（3）；

2013，卷Ⅰ36T

（2）（3）

　　本部分内容主要考查：

（1）以硫酸工业为背景，考查接触法制硫酸的化学反应原理、工艺流程、生产设备、反应条件的选择与“三废”的处理；

（2）以纯碱为代表考查无机化工生产中涉及的化学原理与生产工艺。

预计2017年高考仍会从化学反应原理、生产设备、具体化工措施等方面展开，将以流程图的方式结合环保问题，考查硫酸的工业生产、工业合成氨、纯碱的生产。

题型为非选择题，分值约为6～8分。

考点一　硫酸的工业生产

一、生产流程及原理

二、“三废”处理和能量充分利用

1．“三废”的处理方法

（1）尾气吸收：

SO2＋Ca（OH）2===CaSO3＋H2O，CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O。

（填化学方程式）

（2）废水处理

根据杂质性质的不同，采用不同的化学方法，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，提炼贵重有色金属。

2．能量的充分利用

硫酸生产中产生的热量可用于预热反应物满足自身能量的需要，还可以由硫酸厂向外界输出大量能量（供热发电）。

三、化学原理在硫酸工业生产中的应用及相关计算

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

①升高温度。

②使用催化剂。

③在沸腾炉中燃烧燃料时，将原料粉碎，增大与空气的接触面积。

（2）反应条件的选择

①温度：

根据平衡移动原理，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。

②常压：

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，而常压下的转化率已很高，实际生产中采用常压操作。

③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，反应进行彻底充分；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＋O2

2SO3是放热反应，在接触室内使用热交换器，用反应放出的热量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．循环操作原理

由于2SO2＋O2

2SO3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。

5．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。

（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。

（2016·银川模拟）在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的主要原因或目的都正确的是（　　）

A．黄铁矿燃烧前要粉碎，因为大块的黄铁矿不能燃烧

B．SO3用98%的浓硫酸吸收，目的是防止形成酸雾，以便使SO3吸收完全

C．SO2氧化为SO3时需使用催化剂，这样可以提高SO2的转化率

D．从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中SO2会与杂质反应

解析：

选B。

本题考查化工生产中的技术处理问题。

可从化学反应速率、化学平衡移动及实际生产三个方面考虑各种操作条件的原因。

矿石粉碎是为了提高反应速率，并不是因为大块的黄铁矿不能燃烧；用浓硫酸吸收SO3是为了防止水与其形成酸雾；使用催化剂可以提高反应速率，但不能提高SO2的转化率；从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中的杂质会导致催化剂中毒。

名师点拨

（1）吸收SO3不用水或稀硫酸，而是用98%的浓H2SO4，是因为用水或稀硫酸吸收SO3会产生酸雾，影响吸收。

（2）煅烧黄铁矿制得的炉气需进行净化处理，主要是避免催化剂中毒、防止腐蚀设备等。

（3）在生产硫酸的工业生产中，要综合考虑原料来源、动力、设备、环境污染等因素，控制适宜的反应条件，以取得最佳经济效益。

　（2016·大连高三双基）硫酸工厂排放的尾气中，含少量的二氧化硫。

为防止污染大气，在排放前必须进行尾气处理并设法进行综合利用。

（1）硫酸工厂排放尾气中的SO2通常用足量石灰水吸收，然后再用稀硫酸处理。

①写出上述过程的化学反应方程式：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

②请写出这种尾气处理方法的优点（写出两点即可）：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

③若某硫酸厂每天排放的1万立方米（标准状况）尾气中含0.2%（体积百分数）的SO2，通过上述方法处理，理论上需生石灰________kg。

（2）近闻美国和日本正在研究用Na2SO3吸收法作为治理SO2污染的一种新方法，该方法为第一步是用Na2SO3水溶液吸收SO2，第二步是加热吸收溶液，可得到含高浓度SO2的水蒸气副产品。

这种尾气处理方法与

（1）相比的优点是________________________________________________________________________。

[解析]　

（1）分析其中的化学反应即可解答①②，③中列出关系式：

SO2　　　～　　CaO

1mol　　　　　　1mol

　x

可求得x＝

mol，m（CaO）＝

mol×56g·mol－1×10－3kg·g－1＝50kg。

（2）分析该新方法过程中的化学反应：

Na2SO3＋H2O＋SO2===2NaHSO3,2NaHSO3

Na2SO3＋H2O＋SO2↑，与

（1）中的反应作比较，发现

（2）中Na2SO3实际上没有消耗，可循环使用。

[答案]　

（1）①SO2＋Ca（OH）2===CaSO3＋H2O、CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O

②原料生石灰、硫酸价格便宜且容易获得；可得到石膏副产品；产生的SO2含量较高可循环作为原料（任选两点）

③50

（2）Na2SO3可循环使用

题组一　接触法制硫酸的原理

1．下列关于硫酸工业生产过程的叙述错误的是（　　）

A．在接触室中使用铁粉作催化剂

B．在接触室中运用热交换技术可充分利用能源

C．把硫铁矿磨成细粉末，可以提高原料的利用率

D．该反应采用450～500℃主要是因为该温度下催化剂活性好

解析：

选A。

硫酸工业生产过程中，接触室中发生的反应为2SO2＋O2

2SO3，所用催化剂为V2O5。

题组二　工业生产硫酸的适宜条件及综合效益

2．工业制硫酸生产流程如下图：

（1）我国黄铁矿资源比较丰富，但很多工厂仍以硫黄为原料生产硫酸，理由是________________________________________________________________________。

（2）在催化反应室，下列措施中有利于提高SO2平衡转化率的有________。

A．升高温度　　　　　B．减小压强

C．不断补充空气D．及时分离出SO3

（3）在生产中为提高催化剂催化效率采取了哪些措施？

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（至少答出两点措施）

（4）已知2SO2（g）＋O2（g）

2SO3（g）　ΔH＝－196kJ·mol－1。

在450℃、常压和钒催化条件下向一密闭容器中充入2molSO2和1molO2，充分反应后，放出的热量________（填“<”“>”或“＝”）196kJ，理由是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（5）经检测生产硫酸的原料气成分（体积分数）为SO27%、O211%、N282%。

在500℃，0.1MPa条件下达到平衡时，各种气体的体积比为V（SO2）∶V（SO3）∶V（O2）∶V（N2）＝0.46∶6.54∶7.73∶82，则SO2的利用率为________________________________________________________________________。

解析：

二氧化硫转化为三氧化硫的反应为正反应气体体积减小的放热反应，所以低温高压有利于提高二氧化硫的转化率。

在生产过程中，氮气没有参加反应，所以其体积不变，则可看作反应前气体的体积SO2、O2、N2分别为7L、11L、82L，反应后SO2的体积为0.46L，所以SO2的转化率为

×100%＝93.4%。

答案：

（1）以黄铁矿为原料的生产中产生的废弃物太多，处理成本高

（2）CD

（3）①净化气体；②控制温度在400～500℃；③增大催化剂与反应气体的接触面积（合理即可）

（4）＜　在1atm和298K条件下，2molSO2和1molO2完全反应生成2molSO2，放出196kJ热量，该反应为可逆反应，不可能进行完全，又因为反应温度为450℃，所以放出的热量小于196kJ

（5）93.4%

考点二　工业合成氨反应条件的选择

在合成氨的工业生产中，要综合考虑原料来源、动力、设备等因素，控制适宜的反应条件，以取得最佳经济效益。

1．温度

2．压强

3．催化剂

加快反应速率但不影响平衡，能提高单位时间内氨的产量，目前工业上以铁触媒为催化剂。

4．循环操作

合成氨转化率较低，要采用循环操作。

混合气体通过冷凝器，使氨液化，将氨分离出来，并将没有完全反应的N2和H2经过循环压缩机，再送入合成塔，使其被充分利用。

1．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是（　　）

A．使用铁做催化剂，可提高合成氨反应的速率

B．高压比常压条件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．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率

解析：

选B。

催化剂不影响平衡移动，A错误。

正反应为气体体积缩小的反应，增压有利于平衡右移，B正确。

C、D项都不能用勒夏特列原理来解释。

2．下列关于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，氨气占15%，所以合成氨工厂的效率都很低

B．由于氨易液化，N2和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℃，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：

选B。

在氨的实际生产中N2、H2要循环使用，且氨易液化分离，故产率很高。

名师点拨

（1）使用催化剂不影响氨的产率，但能提高单位时间内氨的产量。

催化剂对反应有选择性，容易误认为催化剂对所有反应都有催化作用。

（2）温度的选择，要兼顾三个方面：

反应速率、氨的产率、催化剂活性。

（3）易误认为压强不能过大的原因是考虑反应速率或氨的产率，实际上是从生产成本上考虑的。

　（2014·高考天津卷）合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为

N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）　ΔH＝－92.4kJ·mol－1

一种工业合成氨的简易流程图如下：

（1）步骤Ⅱ中制氢气原理如下：

①CH4（g）＋H2O（g）

CO（g）＋3H2（g）

ΔH＝＋206.4kJ·mol－1

②CO（g）＋H2O（g）

CO2（g）＋H2（g）

ΔH＝－41.2kJ·mol－1

对于反应①，一定可以提高平衡体系中H2百分含量，又能加快反应速率的措施是________。

a．升高温度　　　　　　　b．增大水蒸气浓度

c．加入催化剂d．降低压强

利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2产量。

若1molCO和H2的混合气体（CO的体积分数为20%）与H2O反应，得到1.18molCO、CO2和H2的混合气体，则CO转化率为________。

（2）下图表示500℃、60.0MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。

根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数：

________。

（3）上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是（填序号）________。

简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：

________________________________________________________________________

________________________。

[解析]　

（1）反应①是一个吸热反应，升高温度平衡正向移动，将会增加H2的百分含量，同时提高反应速率；增大水蒸气的浓度，会提高反应速率，但H2的百分含量会降低；加入催化剂，不会引起H2百分含量的改变；降低压强，反应速率减小；故a正确。

设CO反应掉nmol。

　　　　　CO（g）＋H2O（g）

CO2（g）＋H2（g）

投入量/mol0.200.8

变化量/molnnn

最终量/mol0.2－nn0.8＋n

则：

0.2－n＋n＋0.8＋n＝1.18　解得：

n＝0.18

CO的转化率为

×100%＝90%。

（2）a点时，H2、N2物质的量之比为3∶1，设投入N2和H2的物质的量分别是1mol、3mol，平衡时N2反应掉mmol。

　　　　　　　N2（g）　＋　3H2（g）

2NH3（g）

起始量/mol130

变化量/molm3m2m

平衡量/mol1－m3－3m2m

根据题意：

×100%＝42%，解得m≈0.59，所以平衡时N2的体积分数为

×100%≈14.5%。

（3）从流程图看，反应放出的能量得到充分利用是在热交换器中。

提高合成氨原料转化率的方法是分离液氨后将未反应的原料重新送回反应器中循环使用、对原料气加压。

[答案]　

（1）a　90%　

（2）14.5%

（3）Ⅳ　对原料气加压；分离液氨后，未反应的N2、H2循环使用

题组　工业合成氨

（2016·中山高三检测）将N2和H2在一定条件下反应，通过一定方法制得纯净的NH3，将所得NH3和足量的O2通过装置中的催化剂，发生氨的催化氧化反应。

请根据你已学知识，回答下列问题：

（1）工业合成NH3时，在有催化剂的条件下，选用了10～30MPa、500℃这一条件，选用500℃的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________，

增大压强有利于N2＋3H2

2NH3这一反应平衡正向移动，为何不采用更大的压强：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）如图所示是NH3和O2通入含催化剂的装置发生反应，从A处导出的气体成分是________________________________________________________________________。

假设该实验制得纯净的NO气体，则应__________________________________，使NO完全转化为HNO3。

（3）若该实验结束时，有剩余尾气NO和NO2，为防止污染空气，将其通入NaOH溶液，能恰好反应生成NaNO2，则尾气中NO和NO2的物质的量之比为____________，该反应中氧化剂为________，还原产物为____________。

解析：

（1）选用500℃这一条件要从反应速率和原料的转化率两个角度来考虑，该温度下，原料转化率较高，且催化剂活性最强，反应速率快；虽然增大压强有利于该反应平衡正向移动，但压强越大，对制备装置的要求越高，能耗也越大，会大幅度增加工业成本，因此不采用更大的压强。

（2）回答从A处导出的气体成分时，容易因考虑不全面，错答为NH3、O2、NO，这是因为忽视了NO和O2之间的反应，而漏掉了NO2的存在，又因为只要有NO2，则一定存在2NO2

N2O4，故从A处导出的气体是NH3、O2、NO、NO2、N2O4的混合气体。

若想令NO完全转化为HNO3，则必须通入足量的O2，在水中使之发生反应：

4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3。

（3）尾气和NaOH恰好反应生成NaNO2，由NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O可知，尾气中NO和NO2物质的量相同，NO2作氧化剂，NaNO2既是氧化产物又是还原产物。

答案：

（1）该温度下，原料转化率较高，且催化剂活性最强，反应速率快　压强越大，对制备装置的要求越高，能耗也越大，会大幅度增加工业成本，因此不采用更大的压强

（2）NH3、O2、NO、NO2、N2O4的混合气体　将NO与足量的O2一起通入水中

（3）1∶1　NO2　NaNO2

考点三　纯碱的生产[学生用书P279]

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）

NaCl、NH3、CO2

生产流程

优、缺点

原料便宜，步骤简单，但是产生大量CaCl2，食盐利用率低

产品纯度高，原料利用率高，同时得到氮肥NH4Cl

碳酸氢铵是一种重要的铵盐。

实验室中，将二氧化碳通入氨水可制得碳酸氢铵，用碳酸氢铵和氯化钠可制得纯碱。

完成下列填空：

（1）二氧化碳通入氨水的过程中，先有__________晶体（填写化学式）析出，然后晶体溶解，最后析出NH4HCO3晶体。

（2）含0.800molNH3的水溶液质量为54.0g，向该溶液通入二氧化碳至反应完全，过滤，得到滤液31.2g，则NH4HCO3的产率为__________%。

（3）粗盐（含Ca2＋、Mg2＋）经提纯后，加入碳酸氢铵可制得碳酸钠。

实验步骤依次为

①粗盐溶解；②加入试剂至沉淀完全，煮沸；③__________；④加入盐酸调pH；⑤加入__________；⑥过滤；⑦灼烧，冷却，称重。

（4）上述步骤②中所加入的试剂为__________、__________。

（5）上述步骤④中加盐酸调pH的目的是________________________________________________________________________

______________。

答案：

（1）（NH4）2CO3

（2）92

（3）过滤　碳酸氢铵

（4）氢氧化钠　碳酸钠

（5）除去过量的氢氧化钠和碳酸钠

名师点拨

（1）向饱和食盐水中通入氨气和二氧化碳的顺序容易答反。

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。

　根据侯德榜制碱法原理并参考下表的数据，实验室制备纯碱Na2CO3的主要步骤是将配制好的饱和NaCl溶液倒入烧杯中加热，控制温度在30～35℃，搅拌下分批加入研细的NH4HCO3固体，加料完毕后，继续保温30分钟，静置、过滤得NaHCO3晶体。

用少量蒸馏水洗涤除去杂质，抽干后，转入蒸发皿中，灼烧2小时，制得Na2CO3固体。

四种盐在不同温度下的溶解度（g/100g水）如下表：

　温度

溶解度　　

0℃

10℃

20℃

30℃

40℃

50℃

60℃

100℃

NaCl

35.7

35.8

36.0

36.3

36.6

37.0

37.3

39.8

NH4HCO3

11.9

15.8

21.0

27.0

－①

－

－

－

NaHCO3

6.9

8.1

9.6

11.1

12.7

14.5

16.4

－

NH4Cl

29.4

33.3

37.2

41.4

45.8

50.4

55.3

77.3

①注：

温度＞35℃NH4HCO3会有分解

请回答下列问题：

（1）反应温度控制在30～35℃，是因为若高于35℃，则______________，若低于30℃，则______________；为控制此温度范围，采取的加热方法为________________。

（2）加料完毕后，继续保温30分钟，目的是__________________。

静置后只析出NaHCO3晶体的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

用蒸馏水洗涤NaHCO3晶体的目的是除去__________________________杂质（以化学式表示）。

（3）过滤所得的母液中含有________________（以化学式表示），需加入________，并作进一步处理，使NaCl溶液循环使用，同时可回收NH4Cl。

[解析]　

（1）温度控制在30～35℃，若高于35℃，NH4HCO3会分解，若低于30℃，则反应速率变慢，为控制此温度范围可采用水浴加热，温度易于控制、受热均匀。

[答案]　

（1）NH4HCO3分解　反应速率变慢　水浴加热

（2）使反应充分进行　NaHCO3的溶解度最小　N