第一单元　氨的合成
1．N2与H2生成NH3的反应特点？
      提示　可逆反应，即N2、H2与NH3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？
     提示　(1)影响化学反应速率的因素
     ①浓度　②温度　③压强　④催化剂
     (2)影响化学平衡移动的因素
    ①浓度　②压强　③温度
3．从合成氨的经济效益考虑如何选择恰当的条件？
     提示　要提高合成氨经济效益，一要考虑反应快慢
      二要考虑N2与H2的转化率，所以合适的条件为温度为500～700 ℃，选择中压、适宜的催化剂，N2与H2的投料比为1∶2.8时，生成的NH3及时分离移出。

1．了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义，知道催化剂的研制对促进化工发展的重大意义，认识实际化工生产技术问题的复杂性，增强技术意识。
2．从合成氨工业流程与技术出发了解化学在工农业生产中的具体应用，认识化学学科发展对化工生产技术进步的促进作用，认识化学工业在国民经济发展中的地位。
哈伯
高压
适宜温度
催化剂
减小
放热
2．合成氨反应条件的选择
      在合成氨生产中要综合考虑                  、                               、
                                   、                          与                           来确定反应的条件。
      目前，工业上用               作催化剂，在             MPa、450 ℃左右用氮、氢混合气体进行氨的合成，得到的平衡混合物中，氨的含量约为20%。
反应速率
催化剂工作温度
反应物转化率
反应装置材料
生产技术水平
铁触媒
20～50

1.合成氨的工业流程
   (1)制备原料气：合成氨的生产首先需要合成          。原料气由体积比约为1∶3的          和          组成。
   (2)反应前原料气的处理：把原料气            、               后送到合成塔。
   (3)合成反应：在一定条件下发生合成反应，就可以得到含有一定质量分数               的平衡混合气。
   (4)反应后平衡混合气体的处理：从合成塔里排出的平衡混合气体中分离出氨气后，把未反应的                        送回合成塔循环利用。
原料气
氮气
氢气
加压
预热
氨气
氮、氢原料气
2．合成塔的构造特点
     原料气从        进入，向上流经            的环隙，至顶端后再进入                          。折流向下的气体穿过                      的管间，被加热到400 ℃左右进入第一层催化剂，经反应后温度上升到           左右。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
                                                      排出，折流向上穿过中心管，再经                     的管内换热后自塔顶排出塔外。
外筒
热交换器
热交换器
500 ℃
原料气
第四层催化剂底部
热交换器
塔底
       为什么氮气氢气的混合气体送入合成塔前要压缩？
提示　提高反应物的浓度，能加快化学反应速率，有利于氨的合成。
       合成氨是一个可逆反应，从原料的利用率角度考虑，未反应N2和H2如何处理？
提示　循环使用
【慎思1】
【慎思2】
               什么是固氮？常见的固氮方式有哪些？
          提示　将空气中的游离态的N2转化为化合态的过程称“固氮”，固氮方式有：生物固氮、自然固氮、化学固氮、人工模拟生物固氮。
               为什么N2与H2的投料之比为1∶2.8而不是1∶3?
          提示　尽管N2与H2按1∶3反应但是为了提高价格较高的H2的转化率，可适当增加N2的投量，故选择1∶2.8。
              原料N2和H2在进合成塔前为什么净化？
          提示　防止催化剂中毒。
【慎思3】
【慎思4】
【慎思5】
常温下，合成氨反应能自发进行，所以合成氨的反应特点：①所有的反应物和生成物都是气态，且该反应为可逆反应；②气体的物质的量减少的熵减反应；③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
       实验方法
       在一干燥的硬质试管中放入适量铁丝绒，按照右图连接好实验装置。加热试管中的铁丝绒至红热后，用注射器抽取20 mL干燥氮气和60 mL干燥氢气，将混合气体通入试管，并将湿润的pH试纸置于导管口处，观察试纸的变化。
合成氨的实验装置
实验现象
导管口处的湿润的pH试纸变为蓝色。
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。
3．合成氨最佳条件
续表

影响化学平衡和反应速率的因素在合成氨中的综合应用。
     在合成氨工业中，采用下列哪些措施可以提高原料气的转化率                         (　　)。 ①使用催化剂　②采用500 ℃左右的高温　③采用1×107～3×107 Pa的压强　④不断将氨分离出来
A．①③              B．②③ 
C．③④              D．①④
解析　根据合成氨反应的特点，要提高原料的利用率，应尽量使化学平衡向生成NH3的方向移动，应为高压、降低温度并减少NH3的浓度，故③④合理。
答案　C
【体验1】
2．原料气的净化
      (1)对原料气净化的原因：在制取原料气的过程中，常混有一些杂质，其中的某些杂质会使合成氨所用的催化剂“中毒”，所以必须除去，这一过程称为原料气的净化。
      (2)吸收H2S：用稀氨水吸收H2S杂质：NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O
 3．氨的合成与分离
       净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入氨合成塔，氮气与氢气在高温、高压和催化剂作用下合成氨。从合成塔出来的混合气体，通常约含20%(体积分数)的氨。为了使氨从没有起反应的氮气和氢气里分离出来，要把混合气体通过冷凝器使氨液化，然后在气体分离器里把液态氨分离出来导入液氨贮罐。由气体分离器出来的气体，经过循环压缩机，再送到合成塔中进行反应。
     氨在国民经济中占有重要的地位。现在约有80%的氨用来制造化肥，其余的用作生产其他化工产品的原料。例如，农业上使用的氮肥如尿素、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混合肥料和复合肥料，都是以氨为原料制成的；氨氧化法制硝酸是工业上制硝酸的主要方法。
(1)对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，下列叙述中正确的是                    (　　)。
【例2】
A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响
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  
       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
       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

(2)综合考虑各种因素，在实际生产中，合成氨一般选择以________为主的催化剂，压强在________之间，温度________。
(3)要实现合成氨的工业化生产，首先要解决氢气和氮气的来源问题。氢气的制取可有以下几条途径：①电解水制取氢气，②由煤或焦炭来制取氢气，③由天然气或重油制取氢气。你认为哪种方法是最佳选择？________(填序号)，其反应的化学方程式为______________________________________________。
(4)下面是合成氨的简要流程示意图：






沿X路线回去的物质是                (　　)。
A．N2和H2              B．催化剂
C．NH3              D．H2
(5)硝酸厂的尾气中含有NO和NO2等污染物，为了防止污染大气可以用烧碱溶液吸收从吸收塔中放出的尾气，发生的反应如下：2NaOH＋NO＋NO2===2NaNO2＋H2O
2NaOH＋2NO2===NaNO2＋NaNO3＋H2O
但在实际生产中常用纯碱代替烧碱，也能发生类似的反应，且放出CO2，试写出用纯碱溶液吸收NO和NO2的两个反应的化学方程式：①___________________________________；
②____________________________________________。
解析　(1)对合成氨的反应，催化剂只能提高反应速率，不能使化学平衡发生移动；高压能提高化学反应速率，也能使化学平衡向生成氨的方向移动。(3)电解水制氢气，电能消耗大，成本高；煤作原料，能源消耗大，污染大。天然气作为洁净燃料，便于管道运输，有投资省、能耗低的优点。(4)合成氨的反应是一可逆反应，所以从合成塔出口出来的含氨混合气中有相当一部分是未反应的氮气和氢气的混合气。采用循环法，先通过冷凝把氨从合成塔出来的混合气中分离出来，余下未反应的氮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。

化工生产中采用循环操作的原因：①很多化学反应并不能将反应进行到底；②循环操作能充分利用原料，降低成本；③有利于实现全封闭、连续化生产，有利于减少工序、控制废弃物的排放。
           为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中具有开发价值的是                                    (　　)。
A．研制高温下活性较大的催化剂
B．寻求NH3的新来源
C．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
解析　合成氨的反应特点是放热反应，降低温度有利于提高合成氨的生产效率。
答案　C
【体验2】

自1913年世界上第一座合成氨厂投产以来，合成氨工业不断发展。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
由于氮气来自空气，取之不尽用之不竭。制氢气的工艺和技术成为研究的主要课题。早期的合成氨工业，主要以焦炭与水为原料生产水煤气以得到氢气。现在已经可以使用各种不同的固态(煤和焦炭等)、液态(石油中提炼的石脑油和重油等)和气态(天然气、焦炉气等)可燃物作为制氢气的原料，由于原料不同，原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
2.   催化剂的改进
      氮气跟氢气合成氨的反应需要催化剂。催化反应的工艺条件常常决定于催化剂的性能，由于催化剂的突破而彻底改变工艺过程及条件的事例屡见不鲜。合成氨时，使用磁铁矿催化剂已经80多年，期间各国一直在进行研究和改进。例如，有采用钌为基础活性物质的新型催化剂，整个工艺流程也以此为核心设计。
3．环境保护
      随着环境保护意识的增强以及相关法律、法规的严格实施，合成氨生产中产生的固体、液体和气体废弃物的处理越来越成为技术改造的重要问题。
      废渣　主要来自造气阶段，特别是以煤为原料而产生的煤渣，以重油为原料产生的炭黑等，现在大都将它们用作建材和肥料的原料。
      废气　主要是H2S和CO2等气体。对H2S的处理，先后采用了直接氧化法(选择性催化氧化)、循环法(使用溶剂将其吸收浓缩)等回收技术。CO2虽然是无毒无害的物质，但随着人们对其可能产生温室效应的关注，减少CO2的排放逐渐受到重视，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。
废液　主要是含氰化物和含氨的污水。目前，处理含氰化物污水主要有生化、加压水解、氧化分解、化学沉淀、反吹回炉等方法；处理含氨废水多以蒸馏的方法回收氨达到综合利用的目的，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：
(1)天然气脱硫时的化学方程式是____________________。
(2)n mol CH4经一次转化后产生CO 0.9n mol、产生H2________mol(用含n的代数式表示)。
(3)K2CO3(aq)和CO2的反应在加压下进行，加压的理论依据是________。
a．相似相溶原理　b．勒夏特列原理　c．酸碱中和原理
(4)由KHCO3分解得到的CO2可以用于________(写出CO2的一种重要用途)。
(5)整个流程有三处循环，一是Fe(OH)3循环，二是K2CO3(aq)循环。请在上述流程图中再标出第三处循环(循环方向、循环物质)。
(4)CO2的用途较多，也是中学生应当熟悉的。
(5)合成氨反应中，N2和H2的转化率较低，为了提高它们的转化率，在分离出NH3后再将N2和H2循环使用。
答案　(1)3H2S＋2Fe(OH)3===Fe2S3＋6H2O
(2)2.7n　(3)b　(4)作制冷剂
(5)
合成氨发展方向 ：高效、环保、节能。
             四川有丰富的天然气资源。以天然气为原料合成尿素的主要步骤如图所示(图中某些转化步骤及生成物未列出)：
(　　)。




请填写下列空白：
(1)已知0.5 mol 甲烷与0.5 mol水蒸气在t ℃、p kPa时，完全反应生成一氧化碳和氢气(合成气)，吸收了a kJ热量，该反应的热化学方程式是：_________________________________。
【体验3】
(2)在合成氨的实际生产过程中，常采取的措施之一是：将生成的氨从混合气体中及时分离出来，并将分离出氨后的氮气和氢气循环利用，同时补充氮气和氢气。请运用化学反应速率和化学平衡的观点说明采取该措施的理由：_________________。
(3)当甲烷合成氨气的转化率为75%时，以5.60 ×107 L甲烷为原料能够合成________________L氨气。(体积均在标准状况下测定)
(4)已知尿素的结构简式为                        ，请写出两种含有碳氧双键的尿素的同分异构体的结构简式：
①_____________________________________；
②_____________________________________。
              (1)CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)
ΔH(t ℃，p kPa)＝2a kJ·mol－1
(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，也有利于平衡向正反应方向进行

(3)1.12×108　(4)①
② 
答案