课题2 人工固氮技术-------合成氨 学案导学
目标要求：
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。
学习过程：
农作物需从土壤中摄取大量 ，必须施加氮肥。含氮化合物还用于制造 、 、 、 等。
地壳中含氮量 ，大气中氮气占空气体积的 。
氮的固定指的是 。
一、合成氨的反应原理
1. 如下图合成氨装置
加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氮气的混合气体，可以看到湿PH试纸变 色
2.用氢气和氮气合成氨的化学反应方程式是 ，属 ___________________反应。
3.工业上，采用以 为主的催化剂，在 ℃和_________ Mpa的条件下合成氨。
4.思考与交流
（1）合成氨中，催化剂的主要作用是什么？
（2）合成氨的适宜条件是什么？
（3）选择适宜生产条件的原则是什么？
（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？
（5）实际生产中，为什么温度不能太高而采用适当高温（400～ 500℃ ）？
（6）在高温高压下，为什么还要使用催化剂？
5. 请分析工业生产主要应考虑哪些问题？
6. 使用催化剂的应注意哪些特点？
二、合成氨的基本生产过程
1、合成氨三个主要步骤是
（1）造气 ；（写出化学方程式，下同）
（2）净化 ；
（3）合成 。
2、 制备合成氨的原料气
（1）制取N2：物理方法为将空气 ，蒸发分离出 。化学方法为碳在空气中燃烧，O2充分反应后除去CO2制取 。
（2）制取H2：
①用 和 高温反应制得主要反应 ， 。
②也可用 、 、 、 中的碳氢化合物与水蒸汽在催化剂作用下制备。主要反应 ， 。
3. 原料气净化处理
（1）原料气净化的原因是什么？
（2）用稀氨水吸收H2S杂质
（3）使CO变成CO2
（4）除去CO2 （用K2CO3吸收）
4 将原料气合成氨与分离
从合成塔出来的混合气体，氨气占总体积的 ，要把混合气体通过冷凝器 ，
再导入液氨 。
5思考与交流
化学工业上常使没有反应的物质分离出来重复使用的主要原因是什么？
谈谈合成氨工业中还可进行哪些联合生产或深加工？
三、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 ，目前氢气主要通过不同的____ 态（煤和焦炭）、 态（石油提炼后的石脑油、重油）、 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 作催化剂，目前有采用 为基础活性物质的新型催化剂。
3.环境保护
（1）废渣：可用作 的原料。
（2）废气：主要是 和 等有害气体，对H2S的处理，可用直接 法（选择性催化氧化）、 法（用溶剂吸收浓缩），CO2也可用来生产 和 等。
（3）废液：主要是含 和含 的污水，处理含氰化物主要用有 、加压
、 分解、 沉淀、 回炉等方法。处理氨废水可用 的方法回收，也可用 治理。
[课堂巩固提高 ]
1、一定条件下，合成氨气反应达到平衡时，测得混合气体中氨气的体积分数为20.0% ，与反应前的体积相比，反应后体积缩小的百分率是（ ）
A．16.7% B．20.0% C．80.0% D．83.3%
2、反应 2A（g） + B（g） 2C（g）；△H > 0 。下列反应有利于生成C的是：（ ）
A. 低温、低压 B. 低温、高压 C. 高温、高压 D. 高温、低压
答案：C
3、下列关于催化剂的说法，正确的是
A．催化剂能使不起反应的物质发生反应
B．在化学反应前后催化剂性质和质量都不改变
C．催化剂能改变化学反应速率
D．在化学反应过程中，催化剂质量和化学性质都不变
答案：B、D
4、在密闭容器中，反应3A2（g）2A3（g）达到平衡，当升高温度后容器内混合气体总的物质的量减少，则逆反应是_______反应（填“放热”或“吸热”），升温前后容器内气体的原子总数___________（填“增多”、“减少”或“不变”）。
答案：放热、不变
5、合成氨工业中，原料气（N2、H2及CO、NH3的混合气）在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜（1）溶液来吸收原料中的CO，其反应是
（1）必须除去原料气中CO的原因是____________________________。
（2）醋酸二氨合铜（1）吸收CO的生产适宜条件是_______________________。
（3）吸收CO后的醋酸铜氨液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以循环使用，醋酸铜氨液再生的生产适宜条件是______________________。
答案：（1）CO可引起催化剂（铁触媒）的中毒，故要除去。
（2）题给信息方程式是一个气体体积减小的放热反应，为使醋酸二氨合铜（I）更好的吸收CO，即平衡向正反应方向移动，适宜条件应是低温、加压。
（3）醋酸铜氨液再生，即平衡向逆反应方向移动，适宜的条件应是高温、低压。课题2 人工固氮技术-------合成氨
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一、哈伯和哈伯法合成氨
19世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一。
利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了150年的时间。1795年有人试图在常压下进行氨合成，后来又有人在50个大气压下试验，结果都失败了。19世纪下半叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使反应推向生成氨的方向：提高温度会将反应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化剂对反应将产生重要影响。这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导。当时物理化学的权威、德国的能斯特就明确指出：氮和氢在高压条件下是能够合成氨的，并提供了一些实验数据。法国化学家勒夏特列第一个试图进行高压合成氨的实验，但是由于氮氢混和气中混进了氧气，引起了爆炸，使他放弃了这一危险的实验。在物理化学研究领域有很好基础的哈伯决心攻克这一令人生畏的难题。
哈伯首先进行一系列实验，探索合成氨的最佳物理化学条件。在实验中他所取得的某些数据与能斯特的有所不同，他并不盲从权威，而是依靠实验来检验，终于证实了能斯特的计算是错误的。在一位来自英国的学生洛森诺的协助下，哈伯成功地设计出一套适合于高压实验的装置和合成氨的工艺流程，这流程是：
在炽热的焦炭上方吹入水蒸汽，可以获得几乎等体积的一氧化碳和氢气的混和气体。其中的一氧化碳在催化剂的作用下，进一步与水蒸汽反应，得到二氧化碳和氢气。然后将混和气体在一定压力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了较纯净的氢气。
同样将水蒸汽与适量的空气混和通过红热的炭，空气中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉，从而得到了所需要的氮气。
氮气和氢气的混和气体在高温高压的条件下及催化剂的作用下合成氨。但什么样的高温和高压条件为最佳？以什么样的催化剂为最好？这还必须花大力气进行探索。以楔而不舍的精神，经过不断的实验和计算，哈伯终于在1909年取得了鼓舞人心的成果。这就是在600℃的高温、200个大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为8％的合成氨。8％的转化率不算高，当然会影响生产的经济效益。哈怕知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高的转化率，在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化率几乎接近于100％。怎么办？哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工，并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来，则这个工艺过程是可行的。于是他成功地设计了原料气的循环工艺。这就是合成氨的哈伯法。
当哈伯的工艺流程展示后，立即引起了早有用战争吞并欧洲称霸世界的野心的德国军政要员的高度重视，为了利用哈伯，德国皇帝也屈尊下驾请哈伯出任德国威廉研究所所长之职。而恶魔的需要正好迎合了哈伯想成为百万富翁的贪婪心理。从1911年到1913年短短两年内，哈伯不仅提高了合成氨的产率，而且合成1000吨液氨，并且用它制造了3500吨烈性炸药TNT.到1913年的第一次世界大战时，哈伯为德国建成了无数个大大小小的合成氨工厂，为侵略者制造了数百万吨炸药因而导致并蔓延了这场殃祸全球的世界大战。
当事实真相大白于天下时，哈伯受到了世界各国科学家的猛烈抨击，尤其当他获得1918年诺贝尔化学奖时，更击起了世界人民的愤怒。
二、我国合成氨工业的发展情况：
解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；1949年全国氮肥产量仅0.6万吨；
1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。
合成氨新法——电合成
最近，两位希腊化学家——Thessaloniki的阿里斯多德大学的George Marnellos和Michael Stoukides，发明了一种合成氨的新方法（Science，2.Oct. 1998, p98）。
在常压下，把氢气和用氦稀释的氮气分别通入一个加热到570oC的以锶-铈-钇-钙钛矿多孔陶瓷（SCY）为固体电解质的电解池中，用覆盖在固体电解质内外表面的多孔钯多晶薄膜的催化，转化为氨，转化率达到78%；而几近一个世纪的哈伯法合成氨工艺通常转化率为10-15%。
