选修2专题2 从自然资源到化学品.docx

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选修2专题2从自然资源到化学品

教育学科教师辅导讲义

课题

高中化学选修2专题2从自然资源到化学品

教学目的

1了解合成氨的原理

2了解电解食盐水的基本原理

3巩固知识点（电解池、化学平衡移动、浓硫酸的一些性质）的学习

教学内容

课前检测

1、从空气中分离氮气的两种方法：

（1）--------------------------------------------------------------；

（2）-----------------------------------------------------------------。

2、氨气的用途：

（写出以氨气为原料制取下列物质的化学方程式）

（1）硝酸铵--------------------------------------------；

（2）尿素-------------------------------------------；

（3）碳酸氢铵-----------------------------------------；（4）磷酸二氢铵--------------------------------------。

3、为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中最具有开发价值的是（）

A寻找氮气的新来源B研制低温下活性较大的催化剂

C研制500℃左右时活性较大的催化剂D研制耐高温、高压的材料，用于建造氨合成塔

4、空气是人类生存所必需的重要资源。

为改善空气质量而启动的“蓝天工程’’得到了全民的支持，下列措施不利于“蓝天工程”的是（）

A推广使用燃煤脱硫技术，防治SO2污染B实施绿化工程，防治扬尘污染

C研制开发燃料电池汽车，消除机动车尾气污染D加大石油、煤炭的开采速度，增加化石燃料的供应量

答案：

1、

（1）空气压缩降温变成液态空气，再升温蒸发，得到氮气；

（2）空气经灼热的碳，生成二氧化碳和氮气，再通过澄清的石灰水，得到纯净的氮气。

2、

（1）NH3+HNO3=NH4NO3;

（2）2NH3+CO2=（NH4）2CO3+H2O

（3）NH3+H2O+CO2==NH4HCO3（4）NH3+H3PO4===NH4H2PO4

3、B4、D

第一单元氨的合成

导入：

农民有句谚语“雷雨发庄稼”，这是什么原因呢？

点题：

打雷下雨的时候，氮气和氢气会合成氨气，继而溶解到雨水中，形成肥料，这是农作物生长所需要的，所以说雷雨发庄稼。

知识梳理：

一、合成氨反应的条件选择

合成氨是20世纪初德国人哈伯发明的。

他经过无数次的失败，最终用锇催化剂在1.75×107Pa，550℃的条件下得到浓度为8%的氨，这为合成氨的工业奠定了基础。

合成氨反应是一个可逆反应，在常温下反应速率很小，实际生产在高温、适宜温度和催化剂条件下进行：

合成氨反应的正反应是放热反应，在密闭容器中，3体积的氢气和1体积的氮气反应生成氨气，气体体积要减少2体积。

实现合成氨的工业生产，既要提高反应速率，又要最大程度低提高平衡混合物中氨的含量。

为此选用合适的催化剂，在较高的温度和较高的压强下进行合成，同时要保持气体反应物有较高的浓度，不断分离出生成的氨，以降低反应体系中生成物的浓度。

目前，工业上用铁触媒作催化剂，在20~50MPa，450℃，左右，用氢气、氮气混合气体进行氨的合成，得到的平衡混合物中，氨的含量约占20%。

温度之所以选择高温，是因为该温度是催化剂活性最好的点，有利于提高单位时间的生产率。

知识回顾：

外界条件对化学平衡的影响

1浓度

增加反应物的浓度或减少生成物的浓度，平衡向正反应方向移动；

减小反应物的浓度或增大生成物的浓度，平衡会向你反应方向移动。

2压强（气体）

增大压强，平衡向体积减小的方向移动；

减小压强，平衡向体积增大的方向移动。

3温度

升高温度，平衡向吸热方向移动；

降低温度，平衡向放热方向移动。

4催化剂

使用催化剂，因其能同等程度地改变正、逆反应速率，平衡不移动。

5惰性气体对化学平衡的影响

（1）恒温、恒容

原平衡体系充入惰性气体，体系总压强增大，但各反应气体分压不变，体系中各反应成分的浓度不变，所以平衡不移动。

（2）恒温、恒压

原平衡体系充入惰性气体，容器体积增大，各反应物气体的分压减小，体系中各反应成分的浓度同倍数减小（等效于减压），对于体积不变反应，平衡不移动；对于体积可变反应，平衡向气体体积增大的方向移动。

6勒夏特列原理

如果改变影响平衡的条件之一，（如温度、压强或浓度），平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。

二、合成氨的生产工艺

合成氨的生产首先需要合成原料气。

原料气由体积比约为1:

3的氮气和氢气组成。

把原料气加压、预热后送到合成塔，在一定条件下发生合成反应，就可以得到含有一定质量分数氨气平衡混合气。

从合成塔里排出的平衡混合气体中分离出氨后，把未反应的氮、氢原料气送回合成塔循环利用。

图1-1合成氨流程示意图

真题解析1（2009.海南，20-4）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碳生成硝酸。

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，其重要原因是--------------------------；

（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---------------------------------------------------------------。

Pt-Rh

解析：

（1）4NH3+5O2=======4NO+6H2O

高温

（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）这是为了增大铂铑合金的表面积，使接触面积增大，提高催化效果。

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

答案：

（1）如上解析；

（2）提高氨的转化率和一氧化氮的转化率；（3）增大单位质量的催化剂与反应物的接触面积（4）3NO2+H2O===2HNO3+NO，加压、降温。

拓展延伸2下列说法，能够用列沙特列原理来解释的是（）

A加入催化剂可以提高单位时间氨的产量

B高压有利于氨的合成反应

C500℃高温比室温更有利于合成氨的反应

D恒温恒容下，在合成氨平衡体系中充入He，使压强增大，则平衡正向移动，NH3增多

解析：

A加入催化剂只能加快反应速率，缩短到大平衡的时间，提高“单位时间”的产量，不能使化学平衡发生移动。

注意，催化剂能同时同倍数地改变正反应、逆反应的速率，故而不能改变化学平衡状态。

B合成氨是一个气体体积减小的反应，所以增大压强，使平衡正方向移动，有利于合成氨，符合列沙特列原理。

C因为合成氨是一个放热反应，所以从化学平衡移动角度分析，应采用较低的温度，500℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动。

采用500℃即考虑到温度对速率的影响，更主要的是500℃左右催化剂活性最大。

D恒温恒容下充入He，惰性气体He不与N2、H2、NH3反应，虽总压强增大了，实际上平衡体系各成分浓度不变（即分压不变）所以平衡不移动，NH3的产量不变。

答案：

B

课堂练习

1、能使合成氨反应进行的程度增大的措施是（）

A．升高温度　　B．降低压强  C．使用催化剂　　　D．不断分离NH3

2、下列事实中，不能用勒夏特列原理解释的是（）

A．由H2和N2合成氨时，在高压条件下进行是有利的

B．升高盛放水的密闭容器中的温度，水的蒸气压就增大

C．合成氨在高温条件下进行，加入催化剂使反应速率增加，这对氨的合成有利

D．降低压强，使N2O4的分解率提高

3、合成氨时采用500℃左右的温度，主要是因为在该温度时（）

A．合成氨的反应速率最大B．N2的转化率最大

C．催化剂的活性最大D．NH3在平衡混合气体中的体积分数最大

4、合成氨工业有下列流程：

①原料气制备；②氨的合成；③原料气净化和压缩；④氨的分离。

其先后顺序为（）

A．①②③④B．①③②④C．④③②①D．②③④①

5、利用天然气合成氨的工艺流程示意图如下：

依据上述流程，完成下列填空：

（1）天然气脱硫时的化学方程式是

（2）nmolCH4经一次转化后产生CO0.9nmol，产生H2mol（用含n的代数式表示）

（3）K2CO3（aq）和CO2的反应在加压下进行，加压的理论依据是（）

①相似相溶原理②勒夏特列原理③酸碱中和原理

（4）由KHCO3分解得到CO2可用于（写出CO2的一个重要用途）

（5）整个流程有三处循环，一是Fe（OH）3循环，二是K2CO3（aq）循环。

请在上述流程图中标出第三处循环并指出其循环方向和循环物质。

答案：

1D2BC3C4B

5

（1）3H2S+2Fe（OH）3==Fe2S3+6H2O

（2）2.7n（3）②（4）制纯碱，制化肥等

第二单元氯碱生产

氯碱工业是利用点解食盐水生产氯气、烧碱和氢气为基础的工业体系。

氯气和烧碱是整个化学工业的基础产品之一，应用十分广泛。

知识梳理

一、食盐水的电解原理

当电解氯化钠溶液时，在阳极区产生的氯气，在阴极区产生的氢气和氢氧化钠溶液。

化学方程式为：

食盐水

图2-1简易电解食盐水的装置图

在食盐水溶液中，除含有食盐电离产生的钠离子、氯离子外，还有水电离出来的少量的氢离子、和氢氧根离子。

在电解槽中通入直流电，其电极上发生的变化为：

在石墨阳极上，Cl-比OH-容易失去电子，被氧化，生成氯气。

在阴极上，H+比Na+容易结合电子，被还原，生成氢气。

在阴极区，H+放电，H2O继续电离，使OH-的浓度相对增大，溶液的pH变大，Na+与OH-组成NaOH。

二、食盐水电解工艺

1石棉隔膜电解槽

在工业上，曾用石棉隔膜电解槽来电解食盐水，电解装置如图2-1所示。

电解槽用石棉隔膜隔成阳极室和阴极室，用石墨做阳极，铁丝网做阴极。

石棉隔膜能阻止气体通过，但不能阻止水分子和离子通过。

从阳极室向电解槽中注入的经净化的食盐水，保持食盐水的液面高于阴极室液面，使电解液从阳极室流向阴极室。

在阳极上，Cl-被氧化生成氯气溶解在电解液中直至饱和，其余从阳极室放出（电解在95~100℃下进行，减小了氯气的溶解度）；在阴极上，H+放电产生的氢气从阴极室放出。

在阴极室形成NaOH有少量渗透到阳极室，根溶解在里面的氯气发生反应生成次氯酸盐及氯酸盐。

反应简式为：

上述副反应也是影响电解电流效率的因素。

同时由于阳极室的电解液中未发生化学反应的NaCl会流入阴极室，因此电解生产的烧碱产品会含有NaCl。

用隔膜电解槽电解食盐水，能防止在阴极室产生的氢气、NaOH溶液和在阳极室产生的氯气混合反应。

但是在生产过程中需要解决好以下两个问题：

1粗盐中含有泥沙和SO42-、Ca2+、Mg2+等杂质离子。

Ca2+、Mg2+和NaOH溶液形成的沉淀和泥沙等杂质使隔膜堵塞，影响电解生产，使产品不纯。

因此，粗盐需在净化后才能作为电解原料。

2尽可能提高电解效率，用最少量的电能得到最多的产物。

图2-2石棉隔膜电解槽示意图

2离子交换膜电解槽

本方法采用阳离子交换膜代替石棉隔膜，电解时，经过净化的精致的纯盐水不断送入阳极室，向阴极室不断加入稀NaOH溶液（或去离子水）。

阳极离子交换膜具有很好的选择性，它只允许阳极室的Na+、H+透过离子交换膜进入阴极室。

在阳极室，Cl-失去电子形成氯气，交换膜阻止氯气从阳极室迁移到阴极室。

OH-与从阳极室渗入的Na+形成NaOH，纯度比较大，浓度可达到32%~35%。

图2-3离子膜电解槽示意图

三、法拉第电解定律

电解时，电能转化为化学能，消耗电能的同时得到电解产物。

英国科学家法拉第在1834年提出了电解反应中通过的电量和析出的电解产物数量关系的定律：

在电解时，电极上每通过96500C，即1法拉的电量就会有1mol电子发生转移。

例如：

电解食盐水，在电极上发生如下的反应，阳极：

阴极：

可见，电路上通过96500C电量时，有1/2mol氢气、1/2mol的氯气生成，同时得到1mol的NaOH。

典例解析1某同学想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使氯气被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图的装置，则对电源电极名称和消毒液的主要成分正确的是（）

Aa为正极，b为负极：

NaClO和NaClBa为负极，b为正极：

NaClO和NaCl

Ca为阳极，b为阴极：

HClO和NaClDa为阴极，b为阳极：

HClO和NaCl

解析：

电解氯化钠水溶液时，阴极产生的是H2、NaOH,阳极产生的是Cl2，为了使生产的氯气根氢氧化钠溶液充分接触反应，显然应该是电解池的下端产生氯气。

所以，a为负极，b为正极，产物是NaClO和NaCl。

答案：

B

课堂练习

1氯碱工业中，能穿过离子交换膜的是（）

A.Cl-B.OH-C.Na+D.Cl2

2用电解水的方法分析水的组成时，需要加入一些电解质以增强水的导电性，不宜加入的物质是（）

A.Na2SO3B.NaNO3C.KOHD.CuSO4

3关于工业生产的下列叙述，不正确的是（）

A将氢气和氯气混合后光照，使其反应生成氯化氢，再用水吸收得到盐酸

B用硝酸镁作吸水剂，将稀硝酸蒸馏，浓缩制得95%以上的浓硝酸

C以石灰石、纯碱、石英为原料，在玻璃窑中加强热制取普通玻璃

D工业上采用电解熔融氯化镁的方法制取金属镁

4关于NaCl的水溶液下列说话正确的是（）

A电解时在阳极得到氯气，在阴极得到NaB电解一段时间后充分搅拌电解液，溶液呈中性

C若在阴极附近溶液中滴入酚酞，溶液呈无色D若在阳极附近溶液中滴入KI，溶液呈现棕色

答案：

1C2D3A4D

第三单元硫酸工业

知识梳理

二、硫酸的生产工艺

硫酸的生产工艺分为三个阶段：

硫磺或铁矿的燃烧氧化，二氧化硫的催化氧化，三氧化氯的吸收。

从硫铁矿制造二氧化硫，是先将矿物粉碎，放在沸腾焙烧炉中，从该炉下部通入空气，在高温下（炉膛温度为775~825℃，炉顶温度为900~950℃），鼓入炉中的空气把矿石小颗粒扬起，呈沸腾状燃烧氧化。

（1）二氧化氯的制取和净化

（2）二氧化硫生成三氧化硫

因为SO2接触氧化是一个放热反应，根据化学平衡理论判断，此反应在温度较低的条件下进行有

利。

但是，温度较低时反应速率低，从综合经济考虑对生产不利。

在实际生产中，选定4000C~5000C作为操作温度。

SO2的接触氧化也是一个气体总体积缩小的反应，表5-2的数据说明，增大气体压强，能相应提

高SO2的平衡转化率，但提高得并不多。

考虑到加压对设备的要求高，增大投资和能量消耗；而且，常压下4000C~5000C时，SO2的平衡转化率已经很高，所以硫酸工厂通常采用常压操作，并不加压。

三、硫酸工业的三废治理

（1）尾气吸收，尾气的组成：

SO2、O2、N2

碱法：

Na2CO3

Na2CO3+SO2===Na2SO3+CO2

氨酸法：

NH3.H2O

2NH3·H2O+SO2===（NH4）2SO3+H2O

（2）污水处理，生产过程中的污水处理含有的H2SO4等杂质，可用石灰乳中和处理

Ca（OH）2+H2SO4==CaSO4+H2O

（3）废渣的利用，黄铁矿矿渣可作为制造水泥原料或用以制砖；含铁品位高的矿渣，精处理后可以炼铁。

（4）能量的充分利用，硫酸生产过程中的化学反应都是放热反应，可充分利用这些反应放出的热能来降低生产成本。

例如，在沸腾炉旁设置“废热”锅炉，产生蒸汽来发电；在接触室中设热交换装置，利用SO2氧化为SO3时放出的热量来预热即将参加反应的SO2和O2使其达到适宜的反应温度。

因此，在生产中充分利用“废热”，不仅不需要由外界向硫酸厂功能，而且还可以由硫酸厂向外界输出大量的热量。

典例解析1下列关于浓硫酸的叙述正确的是（）

A浓硫酸具有吸水性，因而能使蔗糖碳化B浓硫酸在常温下可迅速与铜片反应放出二氧化硫气体

C浓硫酸是一种干燥剂，能干燥氨气、氢气等气体

D浓硫酸在常温下能够使铁、铝等金属钝化

解析：

选项A，浓H2SO4使蔗糖碳化，是浓硫酸的脱水性造成的，故不正确；选项B浓H2SO4与铜片在加热条件下才能反应，故不正确；C选项，浓H2SO4不能干燥碱性气体，如氨气以及还原性气体，如H2S、HI等，故不正确。

选项D中浓硫酸具有强氧化性，铁、铝等金属遇冷的浓硫酸能发生钝化反应，故正确。

答案：

D

典例解析2（2010.黄冈中学）下列关于接触法制硫酸的叙述，正确的是（）

A用硫代替黄铁矿可以避免对环境的污染

B接触室中的热交换器是为预热反应物和冷却生成物，节约能量而设计的

C吸收塔中气体和浓硫酸一起从塔顶端进入，生成成品酸

D用水吸收SO3，使之成为硫酸

解析：

用硫代替黄铁矿制硫酸，仍会产生SO2，对环境造成污染，故A项错误；吸收塔中浓硫酸从塔顶喷下，气体从下端进入，两者为逆流吸收，故C项错误；用水吸收SO3易形成酸雾，降低吸收效果，故实际采用98.3%的浓硫酸吸收，D项错误。

答案：

B

课堂练习

1下列四种溶液中，一定存在SO42-的是（）

A向甲溶液中加入氯化钡溶液，产生白色沉淀；B向乙溶液中加入氯化钡溶液，有白色沉淀，再加入盐酸沉淀不溶解。

C向丙溶液中加入盐酸使之酸化，再加入氯化钡溶液，有白色沉淀生成

D向丁溶液中加入硝酸酸化，再加入硝酸钡溶液，有白色沉淀生产

2工业上用接触法制硫酸时，从沸腾炉内导出的气体，要经过净化的理由是（）

A为了减少对大气的污染B防止催化剂中毒

C炉气还含有一些其他有用成分，以便综合利用

D为了制得更纯的H2SO4

答案：

1C2B

第四单元镁和铝的冶炼

知识梳理

一、从海水中提取镁

1、镁的主要存在

主要以化合态的形式存在于地壳和海水（MgCl2）中。

海水中的镁的总储量约为1.8×10×15t。

然而，海水中镁化合物的浓度很低。

要从海水中得到金属镁，一是要从氯化镁浓度极小的海水中把氯化镁提取出来，二是要把氯化镁中的镁还原出来。

2、从海水中提取镁的生产流程

3、从海水中提取镁的主要反应

（1）贝壳煅烧成石灰：

（2）石灰制成石灰乳：

（3）石灰乳加入海水沉淀中得到氢氧化镁沉淀：

（4）氢氧化镁与盐酸反应：

（5）电解熔融的氯化镁可以得到金属镁：

二、铝的冶炼

1、铝的存在

铝元素占地壳总量的7.45%，铝元素是地壳中含量最多金属元素，铝元素在自然界以化合态形式存在，主要以铝土矿存在。

铝土矿的成分：

主要成分，Al2O3；少量，Fe2O3、SiO2等杂质。

要从铝土矿中提取铝，必需先制备较纯的氧化铝。

2、从铝土矿制备铝的工艺流程

3、工业冶炼铝的主要反应

①

②

③

④

典例解析1下图是工业上生产镁的流程。

（1）写出下列反应的化学方程式：

ⅰ沉淀池中-------MgCl2+Ca（OH）2==Mg（OH）2+CaCl2--------------------。

ⅱ电解----------MgCl2====Mg+Cl2------------------------------------------。

（2）整个生产流程中循环使用的物质是-----氯气----------------------。

（3）简述把氯化镁的水合晶体加热使之脱水转化为无水氯化镁的操作过程---为了防止氯化镁水解，加热时要在氯化氢的氛围中加热-------------。

（4）Mg（OH）2沉淀中常混有Ca（OH）2,应该怎样除去？

---加入MgCl2溶液，充分搅拌过滤，沉淀用水洗涤-----。

真题解析2（2009山东卷）金属铝的生产是以Al2O3为原料，在熔融状态下进行电解：

请回答下列问题：

（1）冰晶石（NaAlF6）的作用是----------------------------------------。

（2）电解生产的金属铝是在熔融液的---------（填，上层或下层）

（3）阴极和阳极均由----------材料做成；电解时所消耗的电极是--------（阴极或阳极）

（4）铝是高耗能产品、废旧铝材的回收利用十分重要----在工业上，最能体现节能减排思想的是将回收铝做成（填代号）

A、冰品石B氧化铝C铝锭D硫酸铝

解析：

（1）加入冰晶石起到降低氧化铝的熔化温度的作用；

（2）是在下层；（3）碳棒或石墨棒惰性材料做成，以免引入杂质，阳极；（4）因该做成铝锭

答案：

（1）降低Al2O3的融化温度；

（2）下层（3）碳棒或石墨，阳极；（4）C

课后练习

1、冶炼金属有下列方法：

（1）焦炭法

（2）水煤气法（3）活泼金属置换法（4）电解法。

古代有Ⅰ火烧孔雀石炼铜、Ⅱ湿法炼铜；现代有Ⅲ铝热法炼铜、Ⅳ从光卤石中炼镁。

下列对他们的冶炼方法中分析错误的是（）

A、Ⅰ

（1）B、Ⅱ

（2）C、Ⅲ（3）D、Ⅳ（4）

2、煤粉是制造焰火、闪光粉时不可缺少的原料。

工业制造镁粉时将镁蒸汽在气体中冷却。

下列

（1）空气、

（2）CO2、（3）Ar（4）H2（5）N2中可以作为冷却气体的是（）

A

（1）

（2）B

（2）（3）C（3）（4）D（4）（5）

3、下列叙述中，正确的是（）

A．铝与烧碱溶液的反应中NaOH是氧化剂B．原电池正极失去电子发生氧化反应

C．CaO、MgO、Fe2O3、WO3等金属氧化物在加热时均能被铝还原，得到金属单质

D．Al2O3和MgO均是白色难熔金属氧化物，故可作耐火材料

4、下列关于工业生产的叙述错误的是（）

A．用离子交换膜法电解饱和食盐水制烧碱B．采用电解熔融氯化铝的方法制取金属铝

C．目前合成氨，没有更高的温度、更大的压强是从设备和动力要求方面考虑的

D．生产硫酸时，接触室内热交换器的作用是预热进入的炉气和冷却反应生成的气体

5、从海水中提取镁，可按如下步骤进行①把贝壳制成石灰乳；②在引入的海水中加入石灰乳，沉降、过滤、洗涤沉淀物；③将沉淀物与盐酸反应，结晶、过滤，在HCl气体氛围中干燥产物；④将得到的产物熔融电解得到镁。

下列说法错误的是（　）

A．此法的优点之一是原料来源丰富B．以上提取镁的过程中涉及化合、分解和复分解反应

C．①②③步骤的目的是从海水中提取MgCl2D．第④步电解时阴极产生氯气

6、海水的综合利用可以制备金属镁，其流程如图所示：

（1）若在空气中加热MgC12·6H2O生成的是Mg（OH）C1或MgO，写出相应反应的化学方程式

　　用电解法制取金属镁时，需要无水氯化镁。

在干燥的HCl气流中加热MgC12·6H2O时，能得到无水MgC12，原因是。

（2）Mg（OH）