精选高中化学主题1空气资源氨的合成课题2氨的工业合成教案鲁科版选修2.docx

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精选高中化学主题1空气资源氨的合成课题2氨的工业合成教案鲁科版选修2

课题2氨的工业合成

●课标要求

1．了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义。

2．认识催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义。

●课标解读

1.能根据合成氨反应的特点，依据勒·夏特列原理选择适合氨合成的反应条件。

2．明确合成氨工业流程以及各设备的作用或反应原理。

●教学地位

合成氨工业是《课程标准》中明确要求的内容，也是高考的高频考点，尤其是化学平衡移动原理在合成氨反应中的应用。

合成氨适宜条件的选择、工艺流程中各环节的操作等更是高考的热点。

●新课导入建议

●教学流程设计

课前预习安排：

看教材P6－10，填写[课前自主导学]，并完成[思考交流]。

⇒步骤1：

导入新课，

本课时教学地位分析。

⇒步骤2：

建议对[思考交流]进行提问，反馈学生预习效果。

⇒步骤3：

师生互动完成探究1，可利用[问题导思]①、②、③的设问作为主线。

⇓

步骤7：

通过[例2]和教材P8－10“如何获得大量廉价的原料气”讲解研析，对“探究2、合成氨的生产工艺及原料气的制备”中注意的问题进行总结。

⇐步骤6：

师生互动完成“探究2”，利用[问题导思]①、②、③的设问作为主线。

⇐步骤5：

指导学生自主完成[变式训练1]和[当堂双基达标]第1、2、5题。

⇐步骤4：

通过[例1]和教材P6－8“探究合成氨的最佳条件”的讲解研析，对“探究1、合成氨条件的选择”中注意的问题进行总结。

⇓

步骤8：

指导学生自主完成[变式训练2]和[当堂双基达标]中的3、4题。

⇒步骤9：

引导学生自主总结本课时知识框架，然后对照[课堂小结]。

安排课下作业完成[课后知能检测]。

课　标　解　读

重　点　难　点

1.认识合成氨的反应原理和特点，并能依据化学反应速率和化学平衡原理综合考虑合成氨生产中的相关因素，选择合成氨反应的最佳条件。

2.知道获得大量廉价的氢气是实现合成氨生产的关键问题，知道合成氨工业原料氮气和氢气获得的途径和方法，能够写出相应的化学方程式。

3.能根据合成氨反应的特点分析氮气和氢气不能完全转化的原因，知道循环法使未转化的氮气和氢气得到利用的原理和方法。

4.知道选择适宜的反应条件、确定原料路线、解决未转化完全的原料气的利用是合成氨生产中的主要技术问题。

1.合成氨反应的特点：

（1）可逆反应；

（2）放热反应；（3）气体体积缩小的反应。

（重点）

2.合成氨适宜条件的选择：

（1）高压；

（2）适当温度；（3）催化剂。

（重点）

3.勒夏特列原理在合成氨反应中的应用。

（重难点）

4.合成氨工艺流程。

（重点）

探索合成氨的最佳条件

1.合成氨反应的化学方程式：

N2＋3H22NH3。

2．合成氨反应的特点：

（1）可逆反应；

（2）放热反应；（3）气体总体积缩小的反应。

3．合成氨最佳条件的选择

（1）理论分析

从化学反应速率的角度看，升温、加压以及使用催化剂都可以使合成氨的化学反应速率增大。

从化学平衡的角度看，平衡混合气中氨的含量随着温度的升高而降低，随压强的增大而提高。

这说明温度、压强对这一反应的化学平衡有影响：

降温、增压有利于氨的合成。

（2）实际生产中的最佳条件

合成氨一般选择以铁触媒为催化剂，压强在20～50_MPa之间，温度在500_℃左右。

1．合成氨反应为放热反应，在低温下有利于氨的合成，为什么实际上选用了500°C的高温？

【提示】　目前，合成氨工业中普遍使用的主要是以铁为主体的多组分催化剂，又称铁触媒。

铁触媒在500°C左右时的活性最大，这也是合成氨反应一般选择在500°C左右进行的重要原因之一。

如何获得大量廉价的原料气

1.获得氮气的方法：

分离空气。

2．获得氢气的方法

方法

反应原理

电解水法

2H2O

2H2↑＋O2↑

煤或焦炭法

C＋H2O

CO＋H2

天然气或重油法

CH4＋H2O

CO＋3H2

CO＋H2O

CO2＋H2

2．评价上述几种制氢方法，你认为哪种方法是最佳选择？

【提示】　电解水制氢气，电能消耗大，成本高；天然气与煤相比较，天然气输送方便、投资省、能耗低。

所以用天然气做合成氨的原料为最佳选择。

怎样利用未转化的氮气和氢气

在实际生产中采用了循环法，先通过冷凝把氨从合成塔出来的混合气中分离出来，余下未反应的氮气和氢气的混合气用循环压缩机重新送入合成塔进行反应，同时不断地补充新鲜的原料气，这样氨的合成就形成了一个循环流程，使氮气和氢气得到充分利用。

合成氨条件的选择

【问题导思】　

①合成氨工业生产的要求是什么？

【提示】　a．反应有较大的反应速率；b.最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。

②影响化学平衡移动的外界因素有哪些？

【提示】　温度、浓度、压强。

③合成氨实际生产中采用高温、高压、催化剂，其中有利于提高平衡混合物中NH3的百分含量的因素有哪些？

【提示】　高温不利于平衡正向移动；催化剂对化学平衡无影响；高压利于平衡正向移动，能提高平衡混合物中NH3的百分含量。

1．合成氨生产的要求

合成氨工业要求：

①反应要有较大的反应速率；②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。

2．合成氨条件的选择依据

运用化学反应速率和化学平衡移动原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。

3．合成氨条件的理论分析

（1）浓度：

因为增大反应物浓度，能提高反应速率和使平衡正向移动，故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。

因此生产中常适当增加N2的比例。

（2）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20～50MPa之间。

（3）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。

（4）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。

目前工业上多采用以铁为主的催化剂。

为了提高合成氨生产的综合经济效益，还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送入合成塔再次利用；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．①④⑤⑦　　　　　　　B．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。

加压、升温、增加N2或H2浓度，使用催化剂均能加快反应速率；加压、降温、及时分离出NH3、增加c（N2）和c（H2）均有利于平衡正向移动，增大氨的产率。

【答案】　C

改变外界条件加快反应速率时，不一定使化学平衡正向移动；改变外界条件使化学平衡正向移动时，化学反应速率不一定加快。

1．合成氨工业中，为实现增加NH3的日产量的目的而采取下列措施，其中与平衡移动无关的是（　　）

①不断将NH3分离出来　②使用催化剂　③采用500°C左右的温度　④采用2×107～5×107Pa的压强

A．①②　　　B．②③　　　C．①④　　　D．②④

【解析】　由N2＋3H22NH3的特点可知，高温平衡左移不利于NH3的生成，催化剂与平衡移动无关，而高压和减小NH3的浓度均使平衡右移。

【答案】　B

合成氨的生产工艺及原料气的制备

【问题导思】　

①合成氨生产中需要的原料气是什么？

【提示】　氮气和氢气。

②如何获得合成氨原料气？

【提示】　获得N2的方法：

来自空气，分离方法有深冷分离、变压吸附、膜分离。

获得H2的方法：

电解水，由煤或焦炭制H2、由天然气或重油制H2。

③如何能提高合成氨工业中原料气的利用率？

【提示】　使平衡正向移动：

加压、不断分离出NH3、将N2、H2循环利用。

1．工艺流程

2．氮气的制备

（1）物理方法：

将空气用深冷分离、变压吸附分离或膜分离制得N2和O2。

（2）工业上所采用的化学方法：

用煤在空气中燃烧，除去O2，吸收CO2（如用氨水吸收制NH4HCO3）后，得到N2。

3．氢气的制造

合成氨原料来源的关键是如何获得大量廉价的氢气。

原料制备路线的选择，应综合考虑资源、工艺、能耗、成本、环境等重要因素。

由电解水制氢气，电能消耗大，成本高，不适于制取大量的氢气。

　（2013·东莞高二调研）下图是工业合成氨及与之相关的工艺流程图。

仔细阅读、分析上述框图，并解答下列问题：

（1）写出①、②的操作方法：

①_______、②______。

（2）写出A、B两个化学方程式：

A__________________________________、

B___________________________________。

（3）Ⅰ、Ⅱ的气体成分相同吗？

________。

（4）节能降耗势在必行，也是工业发展的命脉。

就上述工艺流程框图，指出该框图中的一条符合节能降耗宗旨的措施：

______________。

【解析】　

（1）工业合成氨的氮气原料来自于空气，传统的空气分离方法是降温、加压而液化，然后升温精馏分离，这种方法叫深冷分离，现在工业上也常采用膜分离技术。

（2）合成氨的氢气多来自石油、天然气，目前也多采用煤的综合利用，如煤的液化操作；工业合成氨采用的条件是高温、高压和催化剂。

（3）进入热交换器的是温度较高的氨气、氮气和氢气混合气体，而从其中出来的仍然是这些气体，不同的是温度降低了。

（4）工业生产往往采用循环利用原料、热量，采用废物利用来提高经济效益，从而达到节能降耗的目的。

【答案】　

（1）①液化（或答“深冷分离”、“膜分离”都可以）　②冷凝

（2）C＋H2O（g）

CO＋H2或CH4＋H2O（g）

CO＋3H2或CH4＋2H2O（g）

CO2＋4H2（写出其中任何一个即可）　3H2＋N2

2NH3

（3）相同

（4）液化分离液氨后的氮气和氢气循环利用（或答“热的氨气、氢气和氮气混合气体与冷的氮气、氢气混合气体进行热交换”）（答出任意一条即可）

2．下面是合成氨的简要流程示意图：

沿X路线回去的物质是（　　）

A．N2和H2B．催化剂

C．NH3D．H2

【答案】　A

【教师备课资源】

氨气的危害

氨气可麻痹呼吸道纤毛和损害黏膜上皮组织，使病原微生物易于侵入，减弱人体对疾病的抵抗力。

氨被吸入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。

短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸闷、呼吸困难，可伴有头痛、恶心、呕吐等症状，严重者可发生肺水肿，成人呼吸窘迫综合症，同时可能发生呼吸道刺激症状。

　在合成氨反应中，进入合成塔的气体体积比为N2∶H2∶NH3＝6∶18∶1，从合成塔出来的气体体积比为N2∶H2∶NH3＝9∶27∶8，则H2的转化率为________。

【解析】　设进入合成塔的N2、H2、NH3的物质的量分别为6mol、18mol、1mol，反应转化的N2物质的量为x，则：

N2＋3H2　　2NH3

起始量　6mol18mol1mol

转化量　　　x3x2x

平衡量　6mol－x18mol－3x1mol＋2x

（6mol－x）∶（18mol－3x）∶（1mol＋2x）＝9∶27∶8

解得：

x＝1.5mol

所以转化的H2的物质的量为4.5mol，H2的转化率为

×100%＝25%。

【答案】　25%

1．熟记合成氨反应的1个化学方程式：

N2＋3H2

2NH3。

2．明确合成氨反应的3个特点：

（1）可逆反应；

（2）放热反应；（3）气体总体积减小的反应。

3．知道合成氨2种原料气的获得方法：

氮气——分离空气；氢气——煤或焦炭法、天然气或重油法。

4．理解工业合成氨的3个条件。

（1）500℃；

（2）20～50MPa；（3）铁触媒作催化剂。

1．在合成氨反应N2＋3H22NH3中，在下列情况下，不能使化学反应速率增大的是（　　）

A．加入氮气　　　　　　　B．加入合适的催化剂

C．减小压强，扩大容器体积D．适当升高温度

【解析】　加快反应速率的外界条件有：

升高温度、增大压强（有气体参加的反应）、增大反应物浓度、使用催化剂等。

【答案】　C

2．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．使用铁触媒，将N2和H2混合有利于合成氨

B．高压比常压条件更有利于合成氨

C．450℃左右比室温更有利于合成氨

D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率

【解析】　勒夏特列原理运用范围，就是能使已平衡的可逆反应发生平衡移动的一些因素。

选项A中催化剂不能使平衡移动；选项B中加压可使合成氨反应正向移动；选项C中高温不利于合成氨，只能加快反应速率，另外，450℃左右铁触媒活性最大；选项D中，循环使用，不涉及平衡移动问题。

【答案】　B

3．1908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．①②③B．②④⑤

C．①③⑤D．②③④

【解析】　合成氨反应为气体分子总数减少的放热反应，操作①是为了除去杂质，防止催化剂中毒；②增大压强，有利于该反应向右进行，能够提高转化率；③催化剂只能加快反应速率，不影响化学平衡，故不能提高转化率；④将产物NH3液化分离和⑤循环操作，均能使原料更充分地利用，提高原料的转化率。

【答案】　B

4．在可逆反应X＋2Y2Z（吸热）中，X、Y、Z是三种气体，为了有利于Z的生成，应采用的反应条件是（　　）

A．高温高压B．高温低压

C．低温高压D．低温低压

【解析】　X＋2Y2Z（吸热）反应的特点是：

（1）可逆反应；

（2）气体总体积减小的反应；（3）吸热反应。

根据勒夏特列原理可知，高温高压有利于化学平衡正向移动，即利于Z的生成。

【答案】　A

5．氨的合成是一个可逆反应，其正反应是放热的、气体总体积缩小的反应：

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）

填表说明反应条件的改变对这一反应速率的影响和对平衡混合气中氨含量的影响。

条件的改变

对合成氨反应

速率的影响

对平衡混合物中

氨含量的影响

增大压强

降低温度

使用催化剂

【答案】　

条件的改变

对合成氨反应

速率的影响

对平衡混合物中氨

含量的影响

增大压强

加快

增多

降低温度

减慢

增多

使用催化剂

加快

无影响

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】　循环操作后增大了反应物N2和H2的浓度，加快了反应速率，提高了NH3的平衡浓度，但主要是提高N2和H2的利用率，不至于浪费原料。

【答案】　D

2．合成氨过程中为提高原料氢气的转化率而所采取的下列措施中不正确的是（　　）

A．不断将NH3分离出来　　B．使用过量的N2

C．采用高温D．采用高压

【解析】　由N2＋3H22NH3的特点可知，高温平衡左移不利于提高H2的转化率。

高压和减小NH3的浓度均使平衡右移。

使用过量的N2有利于提高H2的转化率。

【答案】　C

3．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，而压强无此作用

【解析】　对化学反应N2＋3H22NH3，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。

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

4．一氧化碳和氢气可以合成甲醇，反应：

CO（g）＋2H2（g）CH3OH（g）（正反应放热）。

为了增加甲醇的单位时间产量，工厂应采取的正确措施是（　　）

A．高温、高压

B．低温、高压、催化剂

C．低温、高压

D．适宜温度、高压、催化剂

【解析】　CO（g）＋2H2（g）CH3OH（g）反应的特点是：

（1）可逆反应；

（2）放热反应；（3）气体总体积减小的反应。

若为了增加甲醇的单位时间产量，则需要反应速率快且反应最大限度的正向进行，故采用高压、适宜温度、催化剂。

【答案】　D

5．反应C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）在一可变容积的密闭容器中进行，下列条件的改变对其反应速率几乎无影响的是（　　）

①增加C的量　②将容器的体积缩小一半　③保持体积不变，充入N2使体系压强增大　④保持压强不变，充入N2使容器体积变大

A．①④B．②③

C．①③D．②④

【解析】　增加固体的量、恒容时充入与反应无关的气体，都对反应速率无影响。

④相当于减压，反应速率减小。

【答案】　C

6．合成氨反应达到平衡时，氨气的百分含量与温度、压强的关系如图所示。

根据此图，判断合成氨工业最有前途的研究发展方向是（　　）

A．研究耐高压的合成塔

B．研制低温催化剂

C．提高分离技术

D．探索不用氢氮合成氨的新途径

【答案】　B

7．用焦炭、空气、水为原料制备NH3，则参加反应的焦炭与产品氨气之间的物质的量之比为（　　）

A．3∶4B．3∶2

C．2∶3D．1∶2

【解析】　由反应：

C＋H2O（g）

CO＋H2，CO＋H2O（g）

CO2＋H2，N2＋3H2

2NH3可得：

C～2H2～

NH3。

【答案】　A

8．2mol气体A与3mol气体B在一定条件下发生反应：

A（g）＋3B（g）2C（g）（放热），达到平衡时，B转化率为50%，则A转化率为（　　）

A．50%B．40%

C．30%D．25%

【解析】　由A（g）＋3B（g）2C（g）可知，n（A）转化＝

n（B）转化＝

×3mol×50%＝0.5mol，则A的转化率为

×100%＝25%。

【答案】　D

9．将V1L的H2和V2L的N2在一定条件下发生反应，达到平衡后，混合气体总体积为V3L（气体体积均在相同条件下测定），则生成NH3的体积是（　　）

A．（V1＋V2＋V3）LB．（V1＋V2－V3）L

C．（V1＋V2－2V3）LD．[V3－（V1＋V2）]L

【解析】　根据差量法计算。

由N2＋3H22NH3，可知NH3～ΔV（减少），

因ΔV＝（V1＋V2－V3）L，故V（NH3）＝ΔV＝（V1＋V2－V3）L。

【答案】　B

10．一定温度下，向密闭容器中充入1.0molN2和3.0molH2，反应达到平衡时，测得NH3的物质的量为0.6mol。

若在该容器中开始时N2的物质的量为2.0mol，H2为6.0mol，则平衡时NH3的物质的量为（　　）

A．若为定容容器，n（NH3）＝1.2mol

B．若为定容容器，n（NH3）<1.2mol

C．若为定压容器，n（NH3）＝1.2mol

D．若为定压容器，n（NH3）>1.2mol

【解析】　起始量为原来的二倍，若在定压容器中，平衡转化率不变，NH3的平衡量为原平衡的二倍；若在定容容器中，等效于二份原平衡混合气加压，转化率增大，NH3的平衡量大于原平衡的二倍。

【答案】　C

11．合成氨工业的主要反应为：

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）（正反应为放热反应），回答下列问题。

（1）原料N2不能用空气代替，而必须用纯N2，这是因为________________________________________________________________________。

H2来自水和焦炭，有关的化学方程式为：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

原料气体必须经过净化的原因是________________________________________________________________________。

（2）在合成塔中合成氨要在高温、高压和有催化剂的条件下进行，试分析各反应条件的作用：

温度（500℃）

________________________________________________________________________。

压强（5×107Pa）________________________________________________________________________。

催化剂（铁触媒）________________________________________________________________________。

（3）从合成塔里出来的混合气体中含15%的氨。

①若N2和H2的转化率相等，则转化率为________。

②工业上采用________法将氨分离出来。

【解析】　（3）利用“三段式”进行分析。

由于N2和H2转化率相等，则二者起始投料物质的量比为1∶3。

N2（g）＋3H2（g）2NH3

始（mol）130

转化（mol）x3x2x

平衡（mol）1－x3－3x2x

则有

×100%＝15%⇒x＝0.261

转化率为

×100%＝26.1%。

【答案】　

（1）空气中的O2与H2混合加热会发生爆炸　C（s）＋H2O（g）

CO（g）＋H2（g），

CO（g）＋H2O（g）

CO2（g）＋H2（g）

除去原料气中的杂质，防止催化剂中毒

（2）加快反应速率，缩短达到平衡的时间且催化剂在此温度下活性最大　既加快反应速率，也能促使平衡向正反应方向移动，提高NH3在平衡混合物中的百分含量　加快反应速率，缩短达到平衡的时间

（3）①26.1%　②冷凝

12．（2013·三明高二检测）在以煤为主要原料的合成氨工业中，原料气氢气常用下述方法获得：

①C＋H2O（g）

CO＋H2；

②CO＋H2O（g）

CO2＋H2；

（1）已知CO（g）＋1/2O2（g）===CO2（g）；ΔH＝－283.0kJ·mol－1；

H2（g）＋1/2O2（g）===H2O（g）；ΔH＝－285.8kJ·mol－1；写出上述CO与H2O（g）反应的热化学方程式：

________________________________________________________________________。

（2）从反应混合物中分离出H2的方法通常是以碱液洗气，根据该工业生产的实际分析，最好选用下列哪种溶液作为吸收剂？

________，理由是_________________________________