高中化学人教版 (新课标)选修2 化学与技术课题2 人工固氮技术——合成氨教案

课题2   人工固氮技术-------合成氨

教学目标

1. 使学生理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。

2.了解合成氨生产的一般流程和反应原理、反应条件等。

3.介绍合成氨，体现化工生产的过程，体现实验室研究与实际生产之间转化过程。

教学过程：

一、氮的固定

1、定义：氮的固定是指将游离态的氮转化为化合态氮的方法。                                                                    

2、方法：氨的固定主要方法有：

   （1）人工合成氨：化学固氨法。其条件要求高、成本高、转化率低、效率低。

    （2）根瘤菌，生物固氨。常温常压下进行。成本低、转化率高、效率高。

 3、工业应用： 模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产，借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。

二、合成氨的反应原理

【实验】分析P11的实验，结合有关物质的物理、化学性质总结试管口处湿润的PH试纸的变化，推测有关反应。

【师生】1、加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氨气的混合气体，可以看到湿润的PH试纸变蓝色

2.用氢气和氨气合成氨的反应式是

N2+3H22NH3 ，属放热反应。

3、工业上，采用以铁为主的催化剂，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的条件下合成氨。

【阅读】P12科学史话，结合已学化学平衡知识分析下面的问题

（1）合成氨中，催化剂的主要作用是什么？

  答案：成千上万倍地加快化学反应速率，缩短达平衡的时间，提高日产量。

（2）合成氨的适宜条件是什么？

   答案：以铁为主的催化剂，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的条件

（3）选择适宜生产条件的原则是什么？

    提示：有较高的反应速率和平衡转化率，能最大限度地提高利润。

（4）合成氨生产时，为什么不采用尽可能高的压强？通常采用10MPa~300MPa 的压强？

    提示：会增大设备的动力要求，增大成本。

（5）合成氨的反应为放热反应，降低温度会使平衡向右移动，但为什么温度要保持在400～500℃左右？

答案：合成氨的反应为放热反应，降低温度促使平衡向有移动，有利于、转化为；但降温必然减缓了反应速率，影响单位时间产率。生产中将二者综合考虑，既要保证、的转化率，又要保证较快的反应速率，只能选择适中的温度400～500℃左右。应注意该温度为催化剂活化温度，低于此温度，催化剂不起作用。

（6）在高温高压下，为什么还要使用催化剂？

     提示：催化剂是影响反应速率的几个因素中，对反应速率影响程度最大的。

【师】应注意催化剂的如下特点：

    ①选择性：不同的反应选择不同的催化剂，如合成氨选择了铁触媒。每种催化剂都是对特定的反应有催化作用，并非能改变任何化学反应的速率。

    ②灵敏性：催化剂中混入杂质，常常会失去催化作用，称催化剂“中毒”，因此反应气体进入反应器前必须净化。

③催化剂只有在活化温度以上才能起催化作用，如铁触媒活化温度为400～500℃，因此该温度为合成氨的适宜温度。

三、合成氨的基本生产过程

1、合成氨三个主要步骤是

（1）造气    制备合成氨的原料气 ；

（2）净化    原料气的净化处理；

（3）合成    将原料气进行化学合成为氨。

2. 制备合成氨的原料气

（1）制取N2：物理方法为将空气液化，蒸发分离出氧气。化学方法为碳在空气中燃烧，O2充分反应后除去CO2制取氮气。

（2）制取H2：

①用水蒸气和焦碳高温反应制得，主要反应                 ，                      。

②也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气等所含有的大量的碳氢化合物与水蒸汽在催化剂作用下制备。

以甲烷为例写出其主要反应 ：                                     ，

                            。

3. 原料气净化处理

（1）原料气净化的原因：除去某些杂质，防止使合成氨所用的催化剂中毒。   

（2）用稀氨水吸收H2S杂质 ：

（3）使CO变成CO2  ：  

（4）用K2CO3吸收CO2 ：

（5）最后，原料气还需进行精制处理，如用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收CO、CO2 、

O2、H2S等少量有害气体。

4. 氨的合成与分离

（1）氨的合成：将净化的原料气加压送进合成塔，在适宜条件下充分反应制取氨。

（2）从合成塔出来的混合气体，其中氨气占总体积的15%，要把混合气体通过冷凝器使氨液化，再导入液氨贮罐。

   【思考】合成氨是一个可逆反应，所以在生产中要把生成的氨及时从混合气体中分离出来，并且不断地向循环气中补充氮、氢气，这是为什么？

 答案：这样能减小平衡状态下混合物中生成物的浓度，又能增大反应物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，以提高氨的产量．

四、合成氨工业的发展

1.原料及原料气的净化

原料气之一的氮气来自空气，目前氢气主要通过不同的固态（煤和焦炭）、液态（石油提炼后的石脑油、重油）、气态（天然气、焦炉气）可燃物为原料。

2.催化剂的改进

多年来一直用磁铁矿催化剂，目前有采用钌为基础活性物质的新型催化剂。

3.环境保护

（1）废渣：可用作建材和肥料的原料。

（2）废气：主要是H2S和CO2 等有害气体，对H2S的处理，可用直接氧化法（选择性催化氧化）、         循环法（用溶剂吸收浓缩），CO2也可用来生产尿素和碳铵等。

（3）废液：主要是含氰化物和含氨的污水，处理含氰化物主要用有生化、加压水解、氧化分解、       化学沉淀、反吹回炉等方法。处理氨废水可用蒸馏的方法回收，也可用离子交换法治理。