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課題2 人工固氮技術(shù)-------合成氨 教學目標 1. 使學生理解如何應用化學反應速率和化學平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。 2.了解合成氨生產(chǎn)的一般流程和反應原理、反應條件等。 3.介紹合成氨，體現(xiàn)化工生產(chǎn)的過程，體現(xiàn)實驗室研究與實際生產(chǎn)之間轉(zhuǎn)化過程。 教學過程： 一、氮的固定 1、定義：氮的固定是指將游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)氮的方法。 2、方法：氨的固定主要方法有： （1）人工合成氨：化學固氨法。其條件要求高、成本高、轉(zhuǎn)化率低、效率低。 （2）根瘤菌，生物固氨。常溫常壓下進行。成本低、轉(zhuǎn)化率高、效率高。 3、工業(yè)應用： 模擬生物的功能，把生物的功能原理用于化學工業(yè)生產(chǎn)，借以改善現(xiàn)有的并創(chuàng)造嶄新的化學工藝過程。 二、合成氨的反應原理 【實驗】分析P11的實驗，結(jié)合有關物質(zhì)的物理、化學性質(zhì)總結(jié)試管口處濕潤的PH試紙的變化，推測有關反應。 【師生】1、加熱試管中的鐵絲絨至紅熱后注入氫氣和氨氣的混合氣體，可以看到濕潤的PH試紙變藍色 2.用氫氣和氨氣合成氨的反應式是 N2+3H22NH3 ，屬放熱反應。 3、工業(yè)上，采用以鐵為主的催化劑，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的條件下合成氨。 【閱讀】P12科學史話，結(jié)合已學化學平衡知識分析下面的問題 （1）合成氨中，催化劑的主要作用是什么？ 答案：成千上萬倍地加快化學反應速率，縮短達平衡的時間，提高日產(chǎn)量。 （2）合成氨的適宜條件是什么？ 答案：以鐵為主的催化劑，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的條件 （3）選擇適宜生產(chǎn)條件的原則是什么？ 提示：有較高的反應速率和平衡轉(zhuǎn)化率，能最大限度地提高利潤。 （4）合成氨生產(chǎn)時，為什么不采用盡可能高的壓強？通常采用10MPa~300MPa 的壓強？ 提示：會增大設備的動力要求，增大成本。 （5）合成氨的反應為放熱反應，降低溫度會使平衡向右移動，但為什么溫度要保持在400～500℃左右？ 答案：合成氨的反應為放熱反應，降低溫度促使平衡向有移動，有利于、轉(zhuǎn)化為；但降溫必然減緩了反應速率，影響單位時間產(chǎn)率。生產(chǎn)中將二者綜合考慮，既要保證、的轉(zhuǎn)化率，又要保證較快的反應速率，只能選擇適中的溫度400～500℃左右。應注意該溫度為催化劑活化溫度，低于此溫度，催化劑不起作用。 （6）在高溫高壓下，為什么還要使用催化劑？ 提示：催化劑是影響反應速率的幾個因素中，對反應速率影響程度最大的。 【師】應注意催化劑的如下特點： ①選擇性：不同的反應選擇不同的催化劑，如合成氨選擇了鐵觸媒。每種催化劑都是對特定的反應有催化作用，并非能改變?nèi)魏位瘜W反應的速率。 ②靈敏性：催化劑中混入雜質(zhì)，常常會失去催化作用，稱催化劑“中毒”，因此反應氣體進入反應器前必須凈化。 ③催化劑只有在活化溫度以上才能起催化作用，如鐵觸媒活化溫度為400～500℃，因此該溫度為合成氨的適宜溫度。 三、合成氨的基本生產(chǎn)過程 1、合成氨三個主要步驟是 （1）造氣 制備合成氨的原料氣 ； （2）凈化 原料氣的凈化處理； （3）合成 將原料氣進行化學合成為氨。 2. 制備合成氨的原料氣 （1）制取N2：物理方法為將空氣液化，蒸發(fā)分離出氧氣?；瘜W方法為碳在空氣中燃燒，O2充分反應后除去CO2制取氮氣。 （2）制取H2： ①用水蒸氣和焦碳高溫反應制得，主要反應 ， 。 ②也可用石油、天然氣、焦爐氣、煉廠氣等所含有的大量的碳氫化合物與水蒸汽在催化劑作用下制備。 以甲烷為例寫出其主要反應 ： ， 。 3. 原料氣凈化處理 （1）原料氣凈化的原因：除去某些雜質(zhì)，防止使合成氨所用的催化劑中毒。 （2）用稀氨水吸收H2S雜質(zhì) ： （3）使CO變成CO2 ： （4）用K2CO3吸收CO2 ： （5）最后，原料氣還需進行精制處理，如用醋酸、銅和氨配制成的溶液來吸收CO、CO2 、 O2、H2S等少量有害氣體。 4. 氨的合成與分離 （1）氨的合成：將凈化的原料氣加壓送進合成塔，在適宜條件下充分反應制取氨。 （2）從合成塔出來的混合氣體，其中氨氣占總體積的15%，要把混合氣體通過冷凝器使氨液化，再導入液氨貯罐。 【思考】合成氨是一個可逆反應，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)氣中補充氮、氫氣，這是為什么？ 答案：這樣能減小平衡狀態(tài)下混合物中生成物的濃度，又能增大反應物的濃度，有利于平衡向生成氨的方向移動，以提高氨的產(chǎn)量． 四、合成氨工業(yè)的發(fā)展 1.原料及原料氣的凈化 原料氣之一的氮氣來自空氣，目前氫氣主要通過不同的固態(tài)（煤和焦炭）、液態(tài)（石油提煉后的石腦油、重油）、氣態(tài)（天然氣、焦爐氣）可燃物為原料。 2.催化劑的改進 多年來一直用磁鐵礦催化劑，目前有采用釕為基礎活性物質(zhì)的新型催化劑。 3.環(huán)境保護 （1）廢渣：可用作建材和肥料的原料。 （2）廢氣：主要是H2S和CO2 等有害氣體，對H2S的處理，可用直接氧化法（選擇性催化氧化）、 循環(huán)法（用溶劑吸收濃縮），CO2也可用來生產(chǎn)尿素和碳銨等。 （3）廢液：主要是含氰化物和含氨的污水，處理含氰化物主要用有生化、加壓水解、氧化分解、 化學沉淀、反吹回爐等方法。處理氨廢水可用蒸餾的方法回收，也可用離子交換法治理。 3