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1、第一单元氨的合成第一单元氨的合成1N2与与H2生成生成NH3的反应特点？的反应特点？ 提示提示可逆反应，即可逆反应，即N2、H2与与NH3是一个共存体系。是一个共存体系。2影响化学反应速率和化学平衡移动的因素？影响化学反应速率和化学平衡移动的因素？ 提示提示(1)影响化学反应速率的因素影响化学反应速率的因素 浓度浓度温度温度压强压强催化剂催化剂 (2)影响化学平衡移动的因素影响化学平衡移动的因素 浓度浓度压强压强温度温度3从合成氨的经济效益考虑如何选择恰当的条件？从合成氨的经济效益考虑如何选择恰当的条件？ 提示提示要提高合成氨经济效益，一要考虑反应快慢要提高合成氨经济效益，一要考虑反应快慢 二
2、二要要考考虑虑N2与与H2的的转转化化率率，所所以以合合适适的的条条件件为为温温度度为为500700 ，选选择择中中压压、适适宜宜的的催催化化剂剂，N2与与H2的的投投料料比比为为1 2.8时，生成的时，生成的NH3及时分离移出。及时分离移出。1了了解解合合成成氨氨的的主主要要原原理理、原原料料、重重要要设设备备、流流程程和和意意义义，知知道道催催化化剂剂的的研研制制对对促促进进化化工工发发展展的的重重大大意意义义，认认识识实实际际化化工工生产技术问题的复杂性，增强技术意识。生产技术问题的复杂性，增强技术意识。2从从合合成成氨氨工工业业流流程程与与技技术术出出发发了了解解化化学学在在工工农农业
3、业生生产产中中的的具具体体应应用用，认认识识化化学学学学科科发发展展对对化化工工生生产产技技术术进进步步的的促促进进作作用用，认识化学工业在国民经济发展中的地位。认识化学工业在国民经济发展中的地位。 哈伯哈伯 高压高压 适宜温度适宜温度 催化剂催化剂 减小减小 放热放热 2合成氨反应条件的选择合成氨反应条件的选择 在合成氨生产中要综合考虑在合成氨生产中要综合考虑 、 、 、 与与 来来确确定定反应的条件。反应的条件。 目目前前，工工业业上上用用 作作催催化化剂剂，在在 MPa、450 左左右右用用氮氮、氢氢混混合合气气体体进进行行氨氨的的合合成成，得得到到的的平平衡衡混混合合物物中中，氨的含量
4、约为氨的含量约为20%。反应速率反应速率催化剂工作温度催化剂工作温度反应物转化率反应物转化率反应装置材料反应装置材料生产技术水平生产技术水平铁触媒铁触媒20501.合成氨的工业流程合成氨的工业流程 (1)制制备备原原料料气气：合合成成氨氨的的生生产产首首先先需需要要合合成成 。原原料料气气由由体积比约为体积比约为1 3的的 和和 组成。组成。 (2)反反应应前前原原料料气气的的处处理理：把把原原料料气气 、 后后送送到到合合成塔。成塔。 (3)合合成成反反应应：在在一一定定条条件件下下发发生生合合成成反反应应，就就可可以以得得到到含含有有一定质量分数一定质量分数 的平衡混合气。的平衡混合气。
5、(4)反反应应后后平平衡衡混混合合气气体体的的处处理理：从从合合成成塔塔里里排排出出的的平平衡衡混混合合气气体体中中分分离离出出氨氨气气后后，把把未未反反应应的的 送送回回合合成成塔塔循循环利用。环利用。原料气原料气氮气氮气氢气氢气加压加压预热预热氨气氨气氮、氢原料气氮、氢原料气2合成塔的构造特点合成塔的构造特点 原原料料气气从从 进进入入，向向上上流流经经 的的环环隙隙，至至顶顶端端后后再再进进入入 。折折流流向向下下的的气气体体穿穿过过 的的管管间间，被被加加热热到到400 左左右右进进入入第第一一层层催催化化剂剂，经经反反应应后后温温度度上上升升到到 左右。在第一、二层间，反应气与冷的左
6、右。在第一、二层间，反应气与冷的 混合后进入第二层催化剂，以此类推，最后的气体从混合后进入第二层催化剂，以此类推，最后的气体从 排排出出，折折流流向向上上穿穿过过中中心心管管，再再经经 的管内换热后自的管内换热后自塔顶塔顶排出塔外。排出塔外。外筒外筒热交换器热交换器热交换器热交换器500 原料气原料气第四层催化剂底部第四层催化剂底部热交换器热交换器塔底塔底 为什么氮气氢气的混合气体送入合成塔前要压缩？为什么氮气氢气的混合气体送入合成塔前要压缩？提提示示提提高高反反应应物物的的浓浓度度，能能加加快快化化学学反反应应速速率率，有有利利于于氨氨的合成。的合成。 合合成成氨氨是是一一个个可可逆逆反反应
7、应，从从原原料料的的利利用用率率角角度度考考虑虑，未未反应反应N2和和H2如何处理？如何处理？提示提示循环使用循环使用【慎思慎思1】【慎思慎思2】 什么是固氮？常见的固氮方式有哪些？什么是固氮？常见的固氮方式有哪些？ 提提示示将将空空气气中中的的游游离离态态的的N2转转化化为为化化合合态态的的过过程程称称“固固氮氮”，固固氮氮方方式式有有：生生物物固固氮氮、自自然然固固氮氮、化化学学固固氮氮、人人工模拟生物固氮。工模拟生物固氮。 为什么为什么N2与与H2的投料之比为的投料之比为1 2.8而不是而不是1 3? 提提示示尽尽管管N2与与H2按按1 3反反应应但但是是为为了了提提高高价价格格较较高高
8、的的H2的转化率，可适当增加的转化率，可适当增加N2的投量，故选择的投量，故选择1 2.8。 原料原料N2和和H2在进合成塔前为什么净化？在进合成塔前为什么净化？ 提示提示防止催化剂中毒。防止催化剂中毒。 【慎思慎思3】【慎思慎思4】【慎思慎思5】常常温温下下，合合成成氨氨反反应应能能自自发发进进行行，所所以以合合成成氨氨的的反反应应特特点点：所所有有的的反反应应物物和和生生成成物物都都是是气气态态，且且该该反反应应为为可可逆逆反反应应；气气体的物质的量减少的熵减反应；体的物质的量减少的熵减反应；该反应的正反应是放热反应。该反应的正反应是放热反应。 2合成氨反应原理的实验研究合成氨反应原理的实
9、验研究 实验方法实验方法 在在一一干干燥燥的的硬硬质质试试管管中中放放入入适适量量铁铁丝丝绒绒，按按照照右右图图连连接接好好实实验验装装置置。加加热热试试管管中中的的铁铁丝丝绒绒至至红红热热后后，用用注注射射器器抽抽取取20 mL干干燥燥氮氮气气和和60 mL干干燥燥氢氢气气，将将混混合合气气体体通通入入试试管管，并并将湿润的将湿润的pH试纸置于导管口处，观察试纸的变化。试纸置于导管口处，观察试纸的变化。合成氨的实验装置合成氨的实验装置实验现象实验现象导管口处的湿润的导管口处的湿润的pH试纸变为蓝色。试纸变为蓝色。实验结论实验结论在铁丝绒和加热的条件下，氮气与氢气反应生成了氨。在铁丝绒和加热的
10、条件下，氮气与氢气反应生成了氨。3合成氨最佳条件合成氨最佳条件反应条件反应条件对化学反对化学反应速率的应速率的影响影响对平衡混合物对平衡混合物中氨含量中氨含量(体积体积分数分数)的影响的影响合成氨条件的选择合成氨条件的选择增大压强增大压强有利于增有利于增大化学反大化学反应速率应速率有利于提高平有利于提高平衡混合物中氨衡混合物中氨的含量的含量增大压强，有利于氨增大压强，有利于氨的合成，但需要的动的合成，但需要的动力大，对材料、设备力大，对材料、设备等要求也高，因此，等要求也高，因此，工业上一般采用工业上一般采用2050 MPa的压强的压强续表续表升高升高温度温度有利于有利于增大化增大化学反应学反
11、应速率速率不利于提不利于提高平衡混高平衡混合物中氨合物中氨的含量的含量升高温度，化学反应速升高温度，化学反应速率增大，但不利于提高率增大，但不利于提高平衡混合物中氨的含量，平衡混合物中氨的含量，因此，合成氨时温度要因此，合成氨时温度要适宜，工业上一般采用适宜，工业上一般采用400500 左右的温度，左右的温度，在这个温度时，铁触媒在这个温度时，铁触媒的活性也最大的活性也最大使用使用催化剂催化剂有利于有利于增大化增大化学反应学反应速率速率没有影响没有影响工业上一般采用铁触媒，工业上一般采用铁触媒，使反应能在较低温度下使反应能在较低温度下较快地进行较快地进行影响化学平衡和反应速率的因素在合成氨中的
12、综合应用。影响化学平衡和反应速率的因素在合成氨中的综合应用。 在在合合成成氨氨工工业业中中，采采用用下下列列哪哪些些措措施施可可以以提提高高原原料料气气的的转化率转化率 ()。 使使用用催催化化剂剂采采用用500 左左右右的的高高温温采采用用11073107 Pa的压强的压强不断将氨分离出来不断将氨分离出来A B C D解解析析根根据据合合成成氨氨反反应应的的特特点点，要要提提高高原原料料的的利利用用率率，应应尽尽量量使使化化学学平平衡衡向向生生成成NH3的的方方向向移移动动，应应为为高高压压、降降低低温温度度并减少并减少NH3的浓度，故的浓度，故合理。合理。答案答案C【体验体验1】2原料气的
13、净化原料气的净化 (1)对对原原料料气气净净化化的的原原因因：在在制制取取原原料料气气的的过过程程中中，常常混混有有一一些些杂杂质质，其其中中的的某某些些杂杂质质会会使使合合成成氨氨所所用用的的催催化化剂剂“中中毒毒”，所以必须除去，这一过程称为原料气的净化。，所以必须除去，这一过程称为原料气的净化。 (2)吸吸 收收 H2S： 用用 稀稀 氨氨 水水 吸吸 收收 H2S杂杂 质质 ： NH3H2OH2S=NH4HSH2O 3氨的合成与分离氨的合成与分离 净净化化后后的的原原料料气气经经过过压压缩缩机机压压缩缩至至高高压压，进进入入氨氨合合成成塔塔，氮氮气气与与氢氢气气在在高高温温、高高压压和
14、和催催化化剂剂作作用用下下合合成成氨氨。从从合合成成塔塔出出来来的的混混合合气气体体，通通常常约约含含20%(体体积积分分数数)的的氨氨。为为了了使使氨氨从从没没有有起起反反应应的的氮氮气气和和氢氢气气里里分分离离出出来来，要要把把混混合合气气体体通通过过冷冷凝凝器器使使氨氨液液化化，然然后后在在气气体体分分离离器器里里把把液液态态氨氨分分离离出出来来导导入入液液氨氨贮贮罐罐。由由气气体体分分离离器器出出来来的的气气体体，经经过过循循环环压压缩缩机机，再再送到合成塔中进行反应。送到合成塔中进行反应。 氨氨在在国国民民经经济济中中占占有有重重要要的的地地位位。现现在在约约有有80%的的氨氨用用来
15、来制制造造化化肥肥，其其余余的的用用作作生生产产其其他他化化工工产产品品的的原原料料。例例如如，农农业业上上使使用用的的氮氮肥肥如如尿尿素素、硝硝酸酸铵铵、硫硫酸酸铵铵、氯氯化化铵铵、氨氨水水以以及及各各种种含含氮氮混混合合肥肥料料和和复复合合肥肥料料，都都是是以以氨氨为为原原料料制制成的；氨氧化法制硝酸是工业上制硝酸的主要方法。成的；氨氧化法制硝酸是工业上制硝酸的主要方法。(1)对对于于合合成成氨氨的的反反应应来来说说，使使用用催催化化剂剂和和施施以以高高压压，下下列列叙述中正确的是叙述中正确的是()。【例例2】A都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影
16、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 间间C都能缩短达到平衡状态所用时间，只有压强对化学平衡状态都能缩短达到平衡状态所用时间，只有压强对化学平衡状态 有影响有影响D催化剂能缩短反应达到平衡状态所用时间，而压强无此作用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用时间，而压强无此作用(2)综综合合考考虑虑各各种种因因素素，在在实实际际生生产产中中，合合成成氨氨一一般般选选择择以以_为为主主的的催催化化剂剂，压压强强在在_之之间间，温温度度_。(3)要要实实现现合合成成氨氨的的工工业业化化生生产产，首首先先要要解解决决氢氢气气和和氮氮气气的
17、的来来源源问问题题。氢氢气气的的制制取取可可有有以以下下几几条条途途径径：电电解解水水制制取取氢氢气气，由由煤煤或或焦焦炭炭来来制制取取氢氢气气，由由天天然然气气或或重重油油制制取取氢氢气气。你你认认为为哪哪种种方方法法是是最最佳佳选选择择？_(填填序序号号)，其其反反应应的的化化学学方方程程式式为为_。(4)下面是合成氨的简要流程示意图：下面是合成氨的简要流程示意图：沿沿X路线回去的物质是路线回去的物质是()。AN2和和H2 B催化剂催化剂CNH3 DH2(5)硝硝酸酸厂厂的的尾尾气气中中含含有有NO和和NO2等等污污染染物物，为为了了防防止止污污染染大大气气可可以以用用烧烧碱碱溶溶液液吸吸
18、收收从从吸吸收收塔塔中中放放出出的的尾尾气气，发发生生的的反反应应如如下下：2NaOHNONO2=2NaNO2H2O2NaOH2NO2=NaNO2NaNO3H2O但但在在实实际际生生产产中中常常用用纯纯碱碱代代替替烧烧碱碱，也也能能发发生生类类似似的的反反应应，且且放放出出CO2，试试写写出出用用纯纯碱碱溶溶液液吸吸收收NO和和NO2的的两两个个反反应应的的化化学学方程式：方程式：_；_。解解析析(1)对对合合成成氨氨的的反反应应，催催化化剂剂只只能能提提高高反反应应速速率率，不不能能使使化化学学平平衡衡发发生生移移动动；高高压压能能提提高高化化学学反反应应速速率率，也也能能使使化化学学平平衡
19、衡向向生生成成氨氨的的方方向向移移动动。(3)电电解解水水制制氢氢气气，电电能能消消耗耗大大，成成本本高高；煤煤作作原原料料，能能源源消消耗耗大大，污污染染大大。天天然然气气作作为为洁洁净净燃燃料料，便便于于管管道道运运输输，有有投投资资省省、能能耗耗低低的的优优点点。(4)合合成成氨氨的的反反应应是是一一可可逆逆反反应应，所所以以从从合合成成塔塔出出口口出出来来的的含含氨氨混混合合气气中中有有相相当当一一部部分分是是未未反反应应的的氮氮气气和和氢氢气气的的混混合合气气。采采用用循循环环法法，先先通通过过冷冷凝凝把把氨氨从从合合成成塔塔出出来来的的混混合合气气中中分分离离出出来来，余余下下未未
20、反反应应的的氮氮气气和氢气的混合气体用循环压缩机重新送入合成塔进行反应。和氢气的混合气体用循环压缩机重新送入合成塔进行反应。化化工工生生产产中中采采用用循循环环操操作作的的原原因因：很很多多化化学学反反应应并并不不能能将将反反应应进进行行到到底底；循循环环操操作作能能充充分分利利用用原原料料，降降低低成成本本；有有利利于于实实现现全全封封闭闭、连连续续化化生生产产，有有利利于于减减少少工工序序、控控制制废废弃弃物物的的排放。排放。 为为了了进进一一步步提提高高合合成成氨氨的的生生产产效效率率，科科研研中中具具有有开开发发价值的是价值的是 ()。A研制高温下活性较大的催化剂研制高温下活性较大的催
21、化剂B寻求寻求NH3的新来源的新来源C研制低温下活性较大的催化剂研制低温下活性较大的催化剂D研制耐高温、高压的新型材料建造合成塔研制耐高温、高压的新型材料建造合成塔解解析析合合成成氨氨的的反反应应特特点点是是放放热热反反应应，降降低低温温度度有有利利于于提提高高合成氨的生产效率。合成氨的生产效率。答案答案C【体验体验2】自自1913年年世世界界上上第第一一座座合合成成氨氨厂厂投投产产以以来来，合合成成氨氨工工业业不不断断发发展。目前，合成氨工业的主要研究领域有：展。目前，合成氨工业的主要研究领域有：1原料及原料气的净化原料及原料气的净化由由于于氮氮气气来来自自空空气气，取取之之不不尽尽用用之之
22、不不竭竭。制制氢氢气气的的工工艺艺和和技技术术成成为为研研究究的的主主要要课课题题。早早期期的的合合成成氨氨工工业业，主主要要以以焦焦炭炭与与水水为为原原料料生生产产水水煤煤气气以以得得到到氢氢气气。现现在在已已经经可可以以使使用用各各种种不不同同的的固固态态(煤煤和和焦焦炭炭等等)、液液态态(石石油油中中提提炼炼的的石石脑脑油油和和重重油油等等)和和气气态态(天天然然气气、焦焦炉炉气气等等)可可燃燃物物作作为为制制氢氢气气的的原原料料，由由于于原原料料不不同同，原原料气的净化工艺和技术也不断改进。料气的净化工艺和技术也不断改进。表世界合成氨原料的用量变化表世界合成氨原料的用量变化原料原料各种
23、氨原料的份额各种氨原料的份额/%197119751980198519902000天然气天然气606271.571.069.568.0石脑油石脑油201915.013.08.56.5燃料油燃料油4.557.08.510.012.0煤煤995.56.57.510.5其他其他6.55.01.01.04.53.02. 催化剂的改进催化剂的改进 氮氮气气跟跟氢氢气气合合成成氨氨的的反反应应需需要要催催化化剂剂。催催化化反反应应的的工工艺艺条条件件常常常常决决定定于于催催化化剂剂的的性性能能，由由于于催催化化剂剂的的突突破破而而彻彻底底改改变变工工艺艺过过程程及及条条件件的的事事例例屡屡见见不不鲜鲜。合合
24、成成氨氨时时，使使用用磁磁铁铁矿矿催催化化剂剂已已经经80多多年年，期期间间各各国国一一直直在在进进行行研研究究和和改改进进。例例如如，有有采采用用钌钌为为基基础础活活性性物物质质的的新新型型催催化化剂剂，整整个个工工艺艺流流程程也也以以此此为核心设计。为核心设计。3环境保护环境保护 随随着着环环境境保保护护意意识识的的增增强强以以及及相相关关法法律律、法法规规的的严严格格实实施施，合合成成氨氨生生产产中中产产生生的的固固体体、液液体体和和气气体体废废弃弃物物的的处处理理越越来来越越成为技术改造的重要问题。成为技术改造的重要问题。 废废渣渣主主要要来来自自造造气气阶阶段段，特特别别是是以以煤煤
25、为为原原料料而而产产生生的的煤煤渣渣，以以重重油油为为原原料料产产生生的的炭炭黑黑等等，现现在在大大都都将将它它们们用用作作建建材材和和肥肥料的原料。料的原料。 废废气气主主要要是是H2S和和CO2等等气气体体。对对H2S的的处处理理，先先后后采采用用了了直直接接氧氧化化法法(选选择择性性催催化化氧氧化化)、循循环环法法(使使用用溶溶剂剂将将其其吸吸收收浓浓缩缩)等等回回收收技技术术。CO2虽虽然然是是无无毒毒无无害害的的物物质质，但但随随着着人人们们对对其其可可能能产产生生温温室室效效应应的的关关注注，减减少少CO2的的排排放放逐逐渐渐受受到到重重视视，所以在不断研究和改进将其作为尿素和碳铵
26、生产原料的途径。所以在不断研究和改进将其作为尿素和碳铵生产原料的途径。废废液液主主要要是是含含氰氰化化物物和和含含氨氨的的污污水水。目目前前，处处理理含含氰氰化化物物污污水水主主要要有有生生化化、加加压压水水解解、氧氧化化分分解解、化化学学沉沉淀淀、反反吹吹回回炉炉等等方方法法；处处理理含含氨氨废废水水多多以以蒸蒸馏馏的的方方法法回回收收氨氨达达到到综综合合利利用用的的目目的，对浓度过低的含氨废水，可用离子交换法治理。的，对浓度过低的含氨废水，可用离子交换法治理。依据上述流程，完成下列填空：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天然气脱硫时的化学方程式是_。(2)n mo
27、l CH4经经 一一 次次 转转 化化 后后 产产 生生 CO 0.9n mol、 产产 生生H2_mol(用含用含n的代数式表示的代数式表示)。(3)K2CO3(aq)和和CO2的的反反应应在在加加压压下下进进行行，加加压压的的理理论论依依据据是是_。a相似相溶原理相似相溶原理b勒夏特列原理勒夏特列原理c酸碱中和原理酸碱中和原理(4)由由KHCO3分分解解得得到到的的CO2可可以以用用于于_(写写出出CO2的的一一种种重要用途重要用途)。(5)整整个个流流程程有有三三处处循循环环，一一是是Fe(OH)3循循环环，二二是是K2CO3(aq)循循环环。请请在在上上述述流流程程图图中中再再标标出出
28、第第三三处处循循环环(循循环环方方向向、循循环环物物质质)。(4)CO2的用途较多，也是中学生应当熟悉的。的用途较多，也是中学生应当熟悉的。(5)合合成成氨氨反反应应中中，N2和和H2的的转转化化率率较较低低，为为了了提提高高它它们们的的转转化化率，在分离出率，在分离出NH3后再将后再将N2和和H2循环使用。循环使用。答案答案(1)3H2S2Fe(OH)3=Fe2S36H2O(2)2.7n(3)b(4)作制冷剂作制冷剂(5)合成氨发展方向合成氨发展方向 ：高效、环保、节能。：高效、环保、节能。 四四川川有有丰丰富富的的天天然然气气资资源源。以以天天然然气气为为原原料料合合成成尿尿素素的的主要步
29、骤如图所示主要步骤如图所示(图中某些转化步骤及生成物未列出图中某些转化步骤及生成物未列出)：()。请填写下列空白：请填写下列空白：(1)已已知知0.5 mol 甲甲烷烷与与0.5 mol水水蒸蒸气气在在t 、p kPa时时，完完全全反反应应生生成成一一氧氧化化碳碳和和氢氢气气(合合成成气气)，吸吸收收了了a kJ热热量量，该该反反应应的的热热化化学方程式是：学方程式是：_。【体验体验3】(2)在在合合成成氨氨的的实实际际生生产产过过程程中中，常常采采取取的的措措施施之之一一是是：将将生生成成的的氨氨从从混混合合气气体体中中及及时时分分离离出出来来，并并将将分分离离出出氨氨后后的的氮氮气气和和氢
30、氢气气循循环环利利用用，同同时时补补充充氮氮气气和和氢氢气气。请请运运用用化化学学反反应应速速率率和和化化学平衡的观点说明采取该措施的理由：学平衡的观点说明采取该措施的理由：_。(3)当当甲甲烷烷合合成成氨氨气气的的转转化化率率为为75%时时，以以5.60 107 L甲甲烷烷为为原原料料能能够够合合成成_L氨氨气气。(体体积积均均在在标标准准状状况况下下测测定定)(4)已已知知尿尿素素的的结结构构简简式式为为 ，请请写写出出两两种种含含有有碳碳氧氧双键的尿素的同分异构体的结构简式：双键的尿素的同分异构体的结构简式：_；_。 (1)CH4(g)H2O(g)=CO(g)3H2(g)H(t ，p kPa)2a kJmol1(2)增大氮气和氢气的浓度有利于增大反应速率；减小氨气浓度，增大氮气和氢气的浓度有利于增大反应速率；减小氨气浓度，也有利于平衡向正反应方向进行也有利于平衡向正反应方向进行(3)1.12108(4) 答案答案
