《2016-2017学年人教版选修二 人工固氮技术——合成氨 学案1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2016-2017学年人教版选修二 人工固氮技术——合成氨 学案1（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、课题2 人工固氮技术合成氨名师导航知识梳理1.合成氨工业简介（1）合成氨工业流程原料气的_压缩原料气的制取N2：先将空气_、_分离出_，或者将空气中的_与碳作用生成_，除去_后得N2。H2：用水和燃料（煤、焦油、石油、天然气等）在高温下制取。用煤和水制H2的主要反应为：_。制得的N2、H2需净化，除杂质，需用压缩机压缩至高压。氨的合成：在适宜条件下，在合成塔中进行。氨的分离：经_使氨液化，将_分离出来，提高原料的转化率，并将没有反应完全的_和_循环送入合成塔，使其充分被利用。（2）氨的合成主要设备：_。反应原理：_。2.合成氨的适宜条件的选择选择适宜条件的目的是_和_。因此可依据外界条件对_和
2、_规律，选择适宜的反应条件。（1）选择适宜条件的依据合成氨的反应原理：N2（ g）+3H2（ g）2NH3（g），H=-92.4 kJmol-1，这一反应的特点是_、_热的_反应。（2）合成氨的适宜条件增大_、_浓度，及时将生成的_分离出来。温度为_ 左右。压强为_ Pa。_作催化剂。知识导学 首先合成氨工业流程根据化学原理，综合考虑原料的储量、来源、运输、仓储、设备、环境保护、生产成本等诸多要素，并将多个方案进行系统分析，方可确定一个成功的生产工艺流程。 其次合成氨工业流程包括从原料的获取开始、原料气净化、压缩、合成、产物分离包括氮气和氢气的循环才是一个完整的工业流程。 注意氮气和氢气合成氨
3、是一个可逆反应，所以，如何提高反应物的转化率，是一个非常重要的问题。一方面根据化学平衡移动的原理，采用增大氮气浓度，提高氢气转化率的方法及增大压强、及时分离氨的方法都是为了达到这同一个目的。另一方面反应速率是提高工业生产效率的基本依据，所以提高反应速率原料气净化、浓缩、使用催化剂并控制温度使催化剂活性最大，都可以达到这一目的。 最终确定一个较好合适的条件需要综合考虑。主要从以下四个方面考虑： 温度：500 左右。从化学速率分析，温度越高越好；从反应平衡分析，温度越低越好。综合考虑以500 左右为宜，而且此温度下催化剂活性最大。 压强：21075107 Pa。无论从速率还是平衡考虑，压强越大越有
4、利于合成氨。但压强越大，对设备的制造和材料的强度要求越高，以21075107 Pa为宜。 催化剂：加快反应速率但不影响平衡，提高单位时间氨的产量，目前工业上以铁触媒为催化剂。 浓度：从速率及平衡角度分析，应增大氢气和氮气浓度，降低氨的浓度。疑难突破1.怎样理解绿色化学的涵义？剖析：绿色化学是人类和自然界的动物和谐相处的化学，是对环境更友善的化学。它的目标是研究和寻找能充分利用的无毒害原料，最大限度节约能源，在化工生产各环节都实现净化和无污染的反应途径等。这种绿色意识是人类追求自然完美的一种高级表现。它不把人看成是自然的主宰者，而是看作自然界中的普遍一员，追求的是人对自然的尊重以及人与自然和谐的
5、关系。它和通常讲的“环保意识”不同。通常讲的环保意识带有明显的被动状态。2.如何根据化学原理选择化工生产的适宜条件？剖析：化工生产以化学反应原理为依据，以实验室研究为基础，任何生产的完成都要符合化学反应规律。所以化工生产条件的选择仍然要在化学原理的基础上，结合生产实际及其他相关因素来进行选择。 工业上合成氨，首先从化学原理上讲，既要使反应进行得快，又要使平衡尽可能地向正反应方向移动，以提高氨的产量，其次，不能忽视生产中的动力、材料、设备等因素，只有符合原理又充分考虑生产因素的方案才能取得最佳效益。3.工业上如何选择合成氨生产的合适温度？剖析：根据N2（g）+3H2（g）2NH3（g） H=-9
6、2.4 kJmol-1的特点，从化学速率分析，温度越高越好；从反应平衡分析：温度越低越好；催化剂的活性在500 时最大。所以，在合成氨工业中反应温度选择的是500 左右，选择这一温度并不是为了提高合成氨的产量，因为生成氨的反应是一个放热反应，升温不利于反应向生成氨的方向进行。在这一温度下，合成氨反应的催化剂的活性最大，催化效果最好，因此选择500 的条件，主要是从提高化学反应速率的角度考虑的，因为这样可以大大提高合成氨的生产效率。疑难导析 充分认识“绿色化学”的本质是和谐相处，对环境友善，把“绿色化学”和“环保意识”结合起来理解。“绿色化学”是在“环保”的基础上发展起来的意义更为全面的一个新的
7、化学工业理念，它表达了人类主动与自然界友好相处的一个理想，也成了现代化学工业追求的一个目标。 首先明确化工生产根据哪一个化学原理，它是化工生产的基础和依据，所以化工生产条件必须要符合化学反应原理；其次化学规律是众多化学反应都遵循的基本原理，也是我们选择化工生产条件的重要依据，如化学反应速率理论、化学平衡理论等；最后化工生产设备、热力学理论、动力学理论及其他的相关因素也都不可忽视，只有将诸多因素进行系统分析，才能最好得出结论。 合成氨反应是一个放热、体积减小的气体可逆反应，这是我们选择合成氨生产温度的基础，低温有利于增大反应物的转化率，但不利于反应速率的提高，而且应该考虑催化剂的活性温度，选择一
8、个催化剂活性温度最高的温度作为生产的条件，否则就需要改变催化剂。问题探究问题1：工业上如何制取合成氨的原料气？探究：要生产合成氨，首先要制造含有氮、氢混合气的原料气。用于制造原料气的原料可分为固体原料、液体原料和气体原料三种。 固体原料主要有煤和焦炭。将煤或焦炭放入半水煤气发生炉里，交替通入空气和水蒸气，就可以得到半水煤气。半水煤气的有效成分是N2和H2，还含有CO、CO2和H2S等杂质。半水煤气经净化后，可作合成氨的原料气。 液体原料主要有原油、轻油、重油等。它们可用分子式CmHn表示。用水蒸气和氧汽的混合气体来气化重油，可得到H2和CO。利用重油汽化法制取合成氨原料气，是近代合成氨工业中的
9、一个重要发展。 常用的气体原料有天然气、油田气、炼厂气和焦炉气等四种。在这些气体原料中，天然气用量最大。我国四川省有以天然气为原料的大型合成氨厂。用天然气制合成氨原料气的方法很多，概括起来可分为四大类，即热解法、水蒸气转化法、部分氧化法和综合法。 热解法是在没有触媒的情况下，用高温使天然气中的甲烷受热分解而制得氢气的方法： CH42H2+ C 水蒸气转化法是在700900 的温度下，使水蒸气和甲烷通过镍触媒而起反应： CH4+H2O=CO+3H2 部分氧化法是在950 左右和镍触媒的作用下，使甲烷进行不完全氧化： 2CH4+O2=2CO+4H2 综合法是在制取乙炔的同时，副产合成氨原料气。将天
10、然气和氧气同时通入转化炉中，高温下使部分甲烷进行燃烧，放出的热使剩余的天然气受热后分解而生成乙炔和氢气，分离后可得到氢气。 2CH4=C2H2+ 3H2问题2：如何防止催化剂的中毒？探究：催化剂的催化能力一般称为催化活性。有人认为，由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变，一旦制成一批催化剂之后，便可以永远使用下去。实际上许多催化剂在使用过程中，其活性从小到大，逐渐达到正常水平，这就是催化剂的成熟期。接着，催化剂活性在一段时间里保持稳定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用。活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命，其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。 催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的杂质而
11、使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称为催化剂的中毒。一般认为是由于催化剂表面的活性中心被杂质占据而引起中毒。中毒分为暂时性中毒和永久性中毒两种。例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，O2、CO、CO2和水蒸气等都能使催化剂中毒。但利用纯净的氢、氮混合气体通过中毒的催化剂时，催化剂的活性又能恢复，因此这种中毒是暂时性中毒。相反，含P、S、As的化合物则可使铁催化剂永久性中毒。催化剂中毒后，往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氢、氮混合气体处理，活性也很难恢复。催化剂中毒会严重影响生产的正常进行。 工业上为了防止催化剂中毒，一方面要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本，另一方面
12、，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，也是一个重要的化工生产研究方向。问题3：怎样理解合成氨的催化机理？探究：根据合成氨的反应特征及化学反应速率理论和化学平衡理论可知：低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。 目前认为，合成氨反应的一种可能机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成NH、NH2和NH3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。上述反应途径可简单地表示为： xFe
13、+N2FexN FexN +H吸FexNH FexNH +H吸FexNH2 FexNH2H吸FexNH3xFe+NH3 在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335。加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应活化能为126167 kJmol-1，第二阶段的反应活化能为13 kJmol-1。由于反应途径的改变（生成不稳定的中间化合物），降低了反应的活化能，因而反应速率加快了。问题导思 首先搞清合成氨的原料气是氮气和氢气，所以合成氨需要提供大量纯净而又价廉的氮气和氢气。 制备氮气主要从空气中。无论从经济观点看，还是从资源分配看，氮气的最大来源肯定是空气，空气的主要
14、成分是氮气和氧气，只要设法将氧气除掉即可，而可以消耗氧气的物质很多，但不可用成本高的物质，最好是其他工生产的废料；而将空气液化后然后利用氮气与氧气的沸点不同也可以得到氮气，而且副产的氧气也可以带来不菲的经济效益。 制备氢气的方法很多，它当然不能指望与氮气一样直接从自资源中获得，所以氢气都需要从其他化工原料中加工才能制得。根据氢气所含的元素我们可以推断制氢气的原料肯定需要是含氢丰富的物质，水及烃类物质是制氢的首选原料。 氢气则可以从水煤气得到，也可以通过天然气及其他烃分解得到，这要看企业所在地的能源分布情况来定，如果是产煤基地，即用水煤气法；如果是天然气丰富的地区，则以天然气分解或与水蒸气转化得到；如果由其他烃等资源，则还可以有其他方法来得到氢气。 首先从理解催化剂的概念入手来理解催化剂中毒。催化剂是可以加快化学反应速率，而自身的质量不会发生变化的物质，它其实也参加了化学反应，只不过最后又重新还原为原来的物质而已。所以同学千万
