高二化学教案-知识讲解_空气分离与氨的工业合成(提高).doc

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1、空气分离与氨的工业合成(提高)编稿：宋杰 审稿：张灿丽【学习目标】 1掌握空气的各组成成分分离开的方法深冷分离法； 2理解变压吸附分离的原理，了解空气分离的新技术； 3从化学反应速率和化学平衡的角度探索合成氨的最佳条件，掌握合成氨原料气的制取方法； 4了解氨的用途。【要点梳理】要点一、空气的深冷分离 1操作过程： （1）将空气降温、加压液化 （2）将液态空气升温进行精馏分离 2原理： 利用空气中各组成成分的沸点不同 气体名称 沸点 氦气 269氖气 264 氮气 196 氩气 186 氧气 183 氪气 153 氙气 108 3特点： 可得到纯度较高的氧气、氮气和稀有气体，所得产品的纯度可达9

2、8.0%99.9。但设备复杂、能耗大、生产成本较高。 4适用范围： 适用于大规模生产高纯度氧气、氮气等气体。 5实际分离过程中面临的主要问题的解决方法： （1）空气液化：采用多次压缩、多次节流膨胀的方法。 （2）各组分的分离：通过控制温度对液态空气进行多次汽化和冷凝。要点二、空气的变压吸附分离 1操作过程： （1）加压吸附 （2）减压解吸 2原理： 利用吸附作用：沸石分子筛和炭分子筛都具有巨大的内表面积，吸附性很强且都具有较高的选择性，当空气通过它们时，氮气和氧气就可以在一定程度上分离开来，从而得到富氧空气。 3特点： 设备简单，能耗低，但所得氧气纯度不高。 4适用范围： 化工造气、金属冶炼、

3、废水处理、医疗用氧等场合所需氧气的制备。要点三、空气的膜分离 1操作过程： 将空气通过膜分离装置，氧分子能透过膜而氮分子不能透过，从而把空气中的氧气和氮气分开。 2原理： 利用氧气和氮气透过分离膜的能力不同亦即膜具有选择透过的性能。 3特点： 过程简单，设备费用低，能耗少，制备的富氧空气含氧量在2540之间。 4适用范围： 大量满足冶金、化肥及国防工业的需氧要点四、合成氨条件的选择 1合成氨反应的特点： N2+3H22NH3 合成氨的反应是一个放热的气体总体积缩小的可逆反应 2合成氨条件的选择：【高清课堂：走进化学工业#合成氨】 （1）从反应速率角度：升温、加压、使用催化剂 （2）从化学平衡角

4、度：加压、降温 综合考虑实际生产中选择的适宜条件是：铁触媒为催化剂，压强2050 MPa，温度500左右即： N2+3H22NH3要点五、原料气的获得 1N2的来源：空气液化法或用碳除氧法 2H2的来源 （1）电解水制H2 2H2O2H2+O2 （2）由煤或焦炭制H2 C+H2OCO+H2 CO+H2OCO2+H2 （3）由天然气或重油制H2 CH4+H2OCO+3H2 CO+H2OCO2+H2 以上三种方法中，电解水制H2成本高，不适用，天然气用做合成氨的原料投资少，能耗低，但我国煤资源储量大，分布广，目前许多工厂仍以煤为合成氨的主要原料。要点六、未转化的氮气和氢气的利用 通过冷凝器将氨液化

5、，然后将氨分离，余下的未反应的氮气和氢气的混合气体经循环过程继续合成氨气，使氮气和氢气得到充分利用。【典型例题】类型一：空气的组成及分离 例1：下列说法中正确的是 （ ） A深冷分离法是大规模生产高纯度氧气、氮气等气体的方法，并且能耗小，生产成本较低 B空气是一种纯净物 C在绝热的条件下，将空气加压通过节流阀后突然膨胀，叫做节流膨胀，节流膨胀产生气体升温的效应D精馏也叫分馏，是进行多次部分汽化和部分冷凝来分离液态混合物的方法 【答案】D【解析】A中深冷分离法所需设备复杂，能耗大、生产成本高，B中空气是由氧气、氮气、二氧化碳、稀有气体组成的混合物，C中节流膨胀产生气体降温的效应。举一反三：【变式

6、1】下列操作是利用吸附作用分离的是（ ）A深冷分离 B变压吸附 C蒸馏和精馏 D膜分离【答案】B类型二：工业合成氨 例2：合成氨所需的氢气可以由天然气制取，其涉及到的反应有：CH4和H2O的反应：CH4 (g)+H2O (g)CO (g)+3H2 (g) ，CH4和O2的反应：2CH4 (g)+O2 (g)2CO (g)+4H2 (g) （1）1 m3（标准状况）CH4按式完全反应，产生H2_mol。 （2）设CH4同时和H2O（g）及O2（g）反应。1 m3（标准状况）CH4按上述两式完全反应，产生氢气的体积V的范围（标准状况）为_。 【思路点拨】本题属于化学计算。高中阶段的计算，建议是物质

7、的量为核心。 【答案】（1）133.9 （2）2 m3V3 m3【解析】（1）由反应知1体积CH4完全反应得到3体积H2，则1 m3 CH4完全反应则得到3 m3即3000 L H2，其物质的量为3000 L22.4 L / mol=133.9 mol（2）若完全按反应，则可得到3 m3 H2；而完全按反应则可产生2 m3 H2，则1 m3（标准状况）CH4按两种方式反应时，产生氢气的体积为：2 m3V3 m3。 【总结升华】解答化学计算相关的题目时，以物质的量为核心。涉及到气体的计算时，一定要注意是否是标准下的体积。举一反三：【变式1】以焦炭为主要原料来合成氨，为了使通入合成塔的N2和H2保

8、持13的体积比，则焦炭（不计燃烧中的消耗）与空气的物质的量之比约为（ ）A12 B23 C43 D65【答案】D【变式2】合成氨时采用500左右的温度，主要是因为在该温度时（ ） A合成氨的反应速率最大 BN2的转化率最大C催化剂的活性最大 DNH3在平衡混合气体中的体积分数最大【答案】C类型三：合成氨工艺流程例3：合成氨的简要流程示意图如下： 则沿x路线回去的物质是（ ）AO2 B催化剂 CNH3 DH2和N2 【思路点拨】本题考查工艺流程图，涉及到的是合成氨的工艺流程。注意分析问题的实质。 【答案】D【解析】从合成塔中出来的混合气体中有相当大的一部分未反应的N2和H2，为了提高N2和H2的转化率，采用的方法是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N2和H2的混合气用循环压缩机重新送入合成塔进行反应。 【总结升华】在工艺流程图中，结合涉及到的反应物和产物分析，可有助于解答这一类题目。举一反三：【变式1】合成氨工业有下列流程：原料气制备 氨的合成 原料气净化和压缩 氨的分离 其先后顺序为（ ） A B C D 【答案】C