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自然界中是如何將氮?dú)廪D(zhuǎn)化成含氮化合物的？ 提示 雷雨放電時，N2與O2生成氮的氧化物。豆類的根瘤菌吸收氮?dú)馍珊衔铩?工業(yè)上是用什么方法合成含氮化合物的？,課題2 人工固氮技術(shù)——合成氨,1．,2．,1．使學(xué)生理解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理，選 擇合成氨的適宜條件。 2．了解合成氨生產(chǎn)的一般流程和反應(yīng)原理、反應(yīng)條件等。 3．介紹合成氨，體驗(yàn)化工生產(chǎn)的過程，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室研究與 實(shí)際生產(chǎn)之間轉(zhuǎn)化過程。,反應(yīng)原理 用氫氣和氮?dú)夂铣砂钡幕瘜W(xué)方程式為：_________________ _______ 。 反應(yīng)特點(diǎn) 合成氨反應(yīng)是一個_____、 _____ 、 _________________的反應(yīng)。,1.,2．,2NH3,可逆,放熱,氣體分子總數(shù)減小,反應(yīng)條件 工業(yè)上，合成氨的適宜條件為___________、 ______________ _____、 __________________ 。,3．,鐵作催化劑,400～500 ℃的,溫度,10～30 MPa的壓強(qiáng),合成氨的基本生產(chǎn)過程主要包括三個步驟：____________ _______________、 ___________________、 ___________ _____________________)。 氨的合成與分離 (1)氨的合成：將凈化后的原料氣經(jīng)過壓縮機(jī)加壓送進(jìn) ___________，在適宜條件下充分反應(yīng)制取氨。 (2)從合成塔出來的混合氣體，其中氨氣占總體積的15%，要把混合氣體通過_______使氨液化，再導(dǎo)入_________。,1.,2．,造氣(制備合,合成氨的原料氣,凈化(原料氣凈化處理),合成(使原料,氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)合成氨,氨合成塔,冷凝器,液氨貯罐,通過閃電引發(fā)自然固氮的原理是什么？ 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 工業(yè)合成氨的生產(chǎn)設(shè)備中可以設(shè)計熱交換器嗎？,【慎思1】,【慎思2】,合成氨是一個可逆反應(yīng)，所以在生產(chǎn)中要把生成的氨及時從混合氣體中分離出來，并且不斷地向循環(huán)氣中補(bǔ)充氮?dú)?、氫氣，這是為什么？ 提示 這樣能減小平衡混合物中生成物的濃度，又能增大反應(yīng)物的濃度，有利于平衡向生成氨的方向移動，以提高氨的產(chǎn)量。,【慎思3】,合成氨生產(chǎn)的要求 合成氨工業(yè)要求：①反應(yīng)要有較大的反應(yīng)速率；②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。 合成氨條件的選擇依據(jù) 運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理的有關(guān)知識，同時考慮合成氨生產(chǎn)中的動力、材料、設(shè)備等因素來選擇合成氨的適宜生產(chǎn)條件。,1．,2．,(1)濃度：因?yàn)樵龃蠓磻?yīng)物濃度，能提高反應(yīng)速率和使平衡正向移動，故生產(chǎn)中常使廉價易得的原料適當(dāng)過量，以提高另一原料的利用率。因此生產(chǎn)中常適當(dāng)增加N2的比例。 (2)壓強(qiáng)：無論從反應(yīng)速率還是化學(xué)平衡考慮，壓強(qiáng)越大越有利于合成氨。但壓強(qiáng)太大，動力消耗大，設(shè)備的質(zhì)量和制造水平要求高，故必須綜合考慮。目前我國合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)在10～30 MPa之間。,3．合成氨條件的理論分析,(3)溫度：對于放熱反應(yīng)，升溫可提高反應(yīng)速率，但轉(zhuǎn)化率降低，若溫度太低，反應(yīng)速率又太慢，綜合考慮以500 ℃左右為宜。而且在此溫度下催化劑活性最大。 (4)催化劑：加快反應(yīng)速率但不影響平衡，可以提高單位時間內(nèi)氨的產(chǎn)量。目前工業(yè)上多以鐵觸媒為催化劑。,對于合成氨的反應(yīng)來說，使用催化劑和施以高壓，下列敘述中正確的是 ( )。 A．都能提高反應(yīng)速率，都對化學(xué)平衡無影響 B．都對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響，都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所 用的時間 C．都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間，只有壓強(qiáng)對化學(xué) 平衡狀態(tài)有影響 D．催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間，而增大 壓強(qiáng)無此作用,【例1】?,答案 C,請回答下列問題： (1)從影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素分析，要有利于NH3和SO3的生成，理論上應(yīng)采取的措施是__________________________。實(shí)際生產(chǎn)中采取的措施是__________________________________________________________________________________________________。 (2)在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中，要分離出氨，目的是________________；而合成SO3的過程中， 則不需要分離出SO3，原因是___________________________________。,【體驗(yàn)1】?,解析 工業(yè)上合成SO3與合成氨的最大不同之處是該反應(yīng)是在常壓下進(jìn)行的，原因是在常壓下該反應(yīng)向生成SO3的方向進(jìn)行的程度已經(jīng)很大，采用高壓雖能使平衡向生成SO3方向移動，但產(chǎn)生高壓既需要動力又對反應(yīng)容器耐壓性有較高要求，綜合生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益兩方面因素，實(shí)際生產(chǎn)時，在常壓下進(jìn)行最合理。 答案 (1)適當(dāng)溫度、高壓、催化劑 合成氨：適當(dāng)溫度、高壓、催化劑；合成SO3：適當(dāng)溫度、常壓、催化劑 (2)減小生成物的濃度，使平衡向生成NH3的方向移動 該反應(yīng)向生成SO3的方向進(jìn)行的程度較大，達(dá)到平衡后SO2剩余量較少，故不需要分離SO3,(1)N2的制備 物理方法：使空氣先液化，后蒸發(fā)。 化學(xué)方法：先讓空氣與碳作用，然后除去CO2。,1．合成氨原料氣的制備,原料氣的凈化(含有CO、CO2及少量的H2S等) K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3； NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O。 合成氨工業(yè)流程,2．,3．,下圖是合成氨的簡易流程示意圖，沿X路線回去的物質(zhì)是 ( )。 A．N2、H2 B．催化劑 C．N2 D．H2 解析 從合成塔中出來的混合氣體經(jīng)冷凝分離出液氨后剩下N2、H2，可以繼續(xù)參與氨的合成。 答案 A,【例2】?,合成氨的可逆反應(yīng)，無論條件多么適宜，從合成塔中出來的氣體總有一部分未反應(yīng)的N2和H2(NH3可通過冷凝分離除去)，為充分利用原料氣，將此混合氣用循環(huán)壓縮機(jī)重新送入合成塔，同時不斷地補(bǔ)充新鮮的原料氣，這樣氨的合成就形成了一個循環(huán)過程。,利用天然氣合成氨的工藝流程如下圖所示： 根據(jù)上述流程，完成下列填空： (1)天然氣脫硫時的化學(xué)方程式是______________________ ________________________________________________。,【體驗(yàn)2】?,(2)n mol CH4經(jīng)一次轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生CO 0.9n mol、產(chǎn)生H2__________mol(用含n的代數(shù)式表示)。 (3)K2CO3(aq)和CO2反應(yīng)在加壓下進(jìn)行，加壓的理論依據(jù)是________。 A．相似相溶原理 B．勒夏特列原理 C．酸堿中和原理 (4)由KHCO3分解得到的CO2可用于________(寫出CO2的一種重要用途)。 (5)整個流程有三處循環(huán)：一是Fe(OH)3循環(huán)，二是K2CO3(aq)循環(huán)，請在上述流程圖中標(biāo)出第三處循環(huán)。,解析 對(1)，流程圖中已給出反應(yīng)物是H2S和Fe(OH)3，生成物是Fe2S3和H2O，CH4沒有參與反應(yīng)，寫出化學(xué)方程式再配平即可；對(2)，寫出化學(xué)方程式后很容易看出H2的物質(zhì)的量；第(3)問是勒夏特列原理的應(yīng)用；第(4)問考查CO2的用途；第(5)問是對合成氨工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的循環(huán)操作進(jìn)行設(shè)問和考查。 答案 (1)3H2S＋2Fe(OH)3===Fe2S3＋6H2O (2)2.7n (3)B (4)生產(chǎn)純堿(或作制冷劑等) (5),(1)合成氨工業(yè)對化學(xué)和國防工業(yè)具有重要意義。 寫出氨的兩種重要用途____________________________。 (2)實(shí)驗(yàn)室制備氨氣，下列方法中適宜選用的是_______。 ①固態(tài)氯化銨加熱分解 ②固體氫氧化鈉中滴加濃氨水 ③氯化銨溶液與氫氧化鈉溶液共熱 ④固態(tài)氯化銨與氫氧化鈣混合加熱 (3)為了在實(shí)驗(yàn)室利用工業(yè)原料制備少量氨氣，有人設(shè)計了如下圖所示的裝置(圖中夾持裝置均已略去)。,實(shí)驗(yàn)探究二 實(shí)驗(yàn)室合成氨,【案例】?,實(shí)驗(yàn)操作： ①檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性后，關(guān)閉彈簧夾a、b、c、d、e。在A中加入鋅粒，向長頸漏斗中注入一定量稀硫酸。打開彈簧夾c、d、e，則A中有氫氣產(chǎn)生。在F出口處收集氫氣并檢驗(yàn)其純度。 ②關(guān)閉彈簧夾c，取下截去底部的細(xì)口瓶C，打開彈簧夾a，將氫氣經(jīng)導(dǎo)管B驗(yàn)純后點(diǎn)燃，然后立即罩上無底細(xì)口瓶C，塞緊瓶塞，如上圖所示。氫氣繼續(xù)在瓶內(nèi)燃燒，幾分鐘后火焰熄滅。,③用酒精燈加熱反應(yīng)管E，待無底細(xì)口瓶C內(nèi)水位下降到液面保持不變時，打開彈簧夾b，無底細(xì)口瓶C內(nèi)氣體經(jīng)D進(jìn)入反應(yīng)管E，片刻后F中的溶液變紅。 回答下列問題： a．檢驗(yàn)氫氣純度的目的是_________________________。 b．C瓶內(nèi)水位下降到液面保持不變時，A裝置內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象是__________，防止了實(shí)驗(yàn)裝置中壓強(qiáng)過大。此時再打開彈簧夾b的原因是_______________________________， C瓶內(nèi)氣體的成分是______________________________。 c．在步驟③中，先加熱鐵觸媒的原因是_____________。反應(yīng)管E中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是___________________ ________________________________________________。,解析 (1)氨的用途有制硝酸、制銨鹽、生產(chǎn)尿素、作制冷劑等。,(3)a.在該實(shí)驗(yàn)中，關(guān)閉彈簧夾a、b，打開彈簧夾c、d、e，H2可以進(jìn)入E裝置，排盡其中的空氣，防止空氣中的O2將E裝置中鐵觸媒氧化，通過檢驗(yàn)H2的純度可以證明E裝置中空氣是否被排盡，同時在②步實(shí)驗(yàn)中要點(diǎn)燃H2，在點(diǎn)燃之前，也必須檢驗(yàn)其純度，防止爆炸。 b．C瓶內(nèi)水位下降，說明瓶內(nèi)壓強(qiáng)大于外界壓強(qiáng)，會導(dǎo)致A裝置長頸漏斗中液面上升，試管內(nèi)液面下降，使酸液與Zn粒相脫離，停止反應(yīng)。此時打開彈簧夾b，H2和N2混合氣體在較大的壓力作用下會通過導(dǎo)氣管，經(jīng)干燥后進(jìn)入E管。由于空氣中的O2與H2反應(yīng)了，所以C瓶內(nèi)氣體的成分是N2、H2及少量的CO2和水蒸氣。,c．N2與H2的反應(yīng)需要加熱，鐵觸媒最大活性的適宜溫度約為500 ℃。因此，要在將N2、H2混合氣體通入E之前加熱鐵觸媒。 答案 (1)制硝酸、制銨鹽、制冷劑、制尿素(任意兩種) (2)②④ (3)a.通過檢驗(yàn)H2的純度證明E管中空氣被排盡，同時也防止點(diǎn)燃?xì)錃鈺r發(fā)生爆炸 b．A裝置中液面下降，長頸漏斗中液面上升，反應(yīng)停止 使C瓶內(nèi)氣體進(jìn)入E管中 N2、H2、少量的CO2和水蒸氣 c．合成氨反應(yīng)需加熱，鐵觸媒在約500 ℃的溫度下活性最大，故需先加熱鐵觸媒,