2020-2021学年高中化学 新人教版选修2 第一单元走进化学工业 课题2 人工固氮技术__合成氨学案5页

课题 2　人工固氮技术——合成氨
1．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．了解工业合成氨与环境的关系，知道合成氨工业“三废”处理的基本方法。
一、氮的存在和固定
1．存在
地壳中含量只有 0.04%，大气中氮气占空气体积的 78%。
2．氮的固定
(1)概念：氮的固定是指将游离态氮转变为化合态氮的方法。
(2)分类
氮的固定Error!
二、合成氨的反应原理
1．反应原理
用氢气和氮气合成氨的化学方程式为：N2＋3H2 
高温、高压


催化剂
2NH3。
2．反应特点
合成氨反应是一个可逆、放热、气体分子总数减小的反应。
3．反应条件
工业上，合成氨的适宜条件为采用以铁为主的催化剂、400～500_℃的温度、10～30_MPa
的压强。
三、合成氨的基本生产过程
合成氨的基本生产过程主要包括三个步骤：造气(制备合成氨的原料气)；净化(原料气净
化处理)；合成(使原料气进行化学反应合成氨)。
1．制备合成氨的原料气
(1)氮气的制备
①物理方法：空气 ― ― →
降温


加压
液态空气 ― ― →
蒸馏


精馏
Error!
②化学方法：将空气中的氧气与碳作用生成 CO2，再除去 CO2。
(2)氢气的制备
①碳与水蒸气的反应，用方程式表示为：C＋H2O(g) =====
高温

CO＋H2。
②水蒸气与碳氢化合物的反应，用方程式表示为：CH4＋H2O(g) =====
高温


催化剂
3H2＋CO，CH4＋H2O(g)
=====
高温


催化剂
4H2＋CO2。

2．原料气的净化
(1)含义：原料气的净化是指除去原料气中杂质的过程，目的是防止催化剂中毒。
(2)净化方法
①H2S的除去，用方程式表示为：H2S＋NH3·H2O===NH4HS＋H2O。
②CO 的除去，用方程式表示为：CO＋H2O(g) =====
催化剂


△
CO2＋H2。
③CO2的除去，用方程式表示为：K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。
④最后，精制处理原料气：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。
3．氨的合成与分离
(1)氨的合成：将净化后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。
四、合成氨工业的发展
合成氨工业的主要研究领域有原料及原料气的净化、催化剂的改进、环境保护。
要点一　合成氨适宜条件的选择
1．理论分析
(1)反应原理：化学方程式为 N2(g)＋3H2(g) 
高温、高压


催化剂
2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
(2)反应特点：①体积减小的反应；②放热反应；③N2键能很大，所以成为活化分子所需
能量也很高。
(3)从速率角度分析：①温度越高反应速率越快；②压强越大，浓度越大，反应速率越快；
③使用催化剂。
(4)从平衡角度分析：①温度越高 NH3的产率越低；
②压强越大，氨气的产率越高；③不断分离出 NH3，有利于提高反应物的转化率。
2．合成氨生产的要求
合成氨工业要求：①反应要有较大的反应速率；②要最大限度地提高平衡混合物中 NH3的
含量。
3．合成氨条件的选择
运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、
设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。
(1)浓度：因为增大反应物浓度，能提高反应速率和转化率，故生产中常使廉价易得的原
料适当过量，以提高另一原料的利用率。因此生产中常适当增加 N2的比例。
(2)压强：无论从反应速率还是化学平衡考虑，压强越大越有利于合成氨。但压强太大，

动力消耗大，设备的质量和制造水平要求高，故必须综合考虑。目前我国合成氨厂一般采用
的压强在 10～30 MPa之间。
(3)温度：对于放热反应，升温可提高反应速率，但转化率降低，若温度太低，反应速率
又太慢，综合考虑以 500 ℃左右为宜。而且在此温度下催化剂活性最大。
(4)催化剂：加快反应速率但不影响平衡，可以提高单位时间内氨的产量。目前工业上多
以铁触媒为催化剂。
例 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(　　)
A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响
B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平...