高中化学总复习讲义：选修2第二单元 化学与工农业生产
考点一 工业合成氨
催化剂
1．反应原理：N2＋3H2高温、高压2NH3(放热反应) 2．基本生产过程 (1)造气 ①N2
②H2
主要来源于H2O和碳氢化合物，相关化学反应如下：
高温
C＋H2O(g)=====CO＋H2
高温
CO＋H2O催化剂=====CO2＋H2
高温
CH4＋H2O催化剂=====CO＋3H2
高温
CH4＋2H2O催化剂=====CO2＋4H2 (2)净化
①原料气中的主要杂质：H2S、CO、CO2、O2等。 ②主要危害：某些杂质会导致催化剂中毒。 ③净化方法
a．用氨水吸收H2S：NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O
Fe2O3
b．CO转化为CO2：CO＋H2O=====高温CO2＋H2
c．用K2CO3溶液吸收CO2：K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3 d．用醋酸、铜和氨配制成的溶液精制处理。 (3)合成
?△??HO?g?＋C=====CO＋H
催化剂?反应?HO?g?＋CO=====△CO＋H? 合成氨工业?高温、高压
?N＋3H催化剂2NH??设备：氨合成塔??
22
22
2
2
3
原料：空气、燃料?煤、天然气、石油?、水
2
过程：原料气制备→净化→压缩→合成→分离循环
1．如下图所示是工业生产硝酸的流程图(空气中O2的体积分数为20%)，下列说法或推断不合理的是( )
A．反应A、B、C都是氧化还原反应 B．吸收塔中通入的空气不必过量
C．假设标准状况下进入吸收塔的NO和空气为4 480 L，则最多可得HNO3约为2 653.56 g
D．工业上还可以联合生产硝酸铵
解析： 选项A，反应A为N2、H2合成NH3，反应B为NH3的催化氧化生成NO，反应C为NO、O2和H2O反应生成HNO3，三个反应都是氧化还原反应；选项B，工业上常通过通入过量空气的方法使NO被充分氧化而生成更多HNO3；选项C，由反应知恰好反应生成HNO3时，NO与O2的体积比为4∶3，设标准状况下4 480 L中，含有4a mol NO，则含有15a mol空气，则有：4a＋15a＝200，则a≈10.53，故最多可得HNO3的质量为4×10.53 mol×63 g·mol－1＝2 653.56 g；选项D，合成的NH3与HNO3反应可生成NH4NO3。
答案： B
2．工业合成氨是在一定条件下进行的，下列可逆反应： N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。其部分工艺流程如下：
请回答下列问题：
(1)第②步除需要催化剂这个条件外，还需要的条件是__________________________。 (2)第①步操作中的原料气体的“净化”目的是____________________，第③步操作的目的是______________________________________________________________。
(3)工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。这种分离物质的方法的原理类似于下列哪种方法？________(填编号)。
a．过滤 b．蒸馏 c．分液 d．萃取 你做出这个判断的理由是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。 答案： (1)高温、高压 (2)防止催化剂中毒，失去活性，提高原料的利用率 使N2、H2循环利用，提高原料利用率
(3)b 通过温度的改变而改变物质的状态，达到使物质分离的目的，是蒸馏的原理 ◎名师归纳 工业合成氨反应条件的选择
在合成氨的工业生产中，要综合考虑原料来源、动力、设备等因素，控制适宜的反应条件，以取得最佳经济效益。
1．温度
?―→化学反应速率增大 —???? 升高温度—?―??→平衡向逆反应方向移动—?
采取适宜的温度 —?
??400～500 ℃。
催化剂在500 ℃时活性最高—??
剂。
2．压强
?―→化学反应速率增大 —?
??? 增大压强—?―??→平衡向正反应方向移动—?
压强越大越好，但受动—?
??10～30 MPa。
力、材料、设备限制 —??
3．催化剂
加快反应速率但不影响平衡，提高单位时间氨的产量，目前工业上以铁触媒为催化4．循环操作
合成氨转化率较低，要采用循环操作。混合气体通过冷凝器，使氨液化，将氨分离出来，并将没有完全反应的N2和H2经过循环压缩机，再送入合成塔，使其被充分利用。
◎名师提醒
(1)使用催化剂不影响氨的产率，但能提高单位时间内氨的产量。催化剂对反应有选择性，容易误认为一定的催化剂对所有反应都有催化作用。
(2)温度的选择，兼顾三个方面：反应速率、氨的产率、催化剂活性。容易漏答。 (3)易误认为压强不能过大的原因是考虑反应速率或氨的产率，实际上是从生产成本上考虑的。
考点二 工业生产硫酸
1．三原料：硫黄(或黄铁矿)、空气、水 2．三阶段和三反应
(1)造气：S(s)＋O2(g)===SO2(g) ΔH＝－297 kJ/mol
4FeS2(s)＋11O2(g)===2Fe2O3(s)＋8SO2(g) ΔH＝－3 412 kJ/mol
催化剂
(2)接触氧化：2SO2(g)＋O2(g)△2SO3(g) ΔH＝－196.6 kJ/mol
(3)三氧化硫的吸收：SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l)
ΔH＝－130.3 kJ/mol
3．三设备：沸腾炉、接触室、吸收塔
4．三工艺：(1)热交换；(2)逆流操作；(3)原料的循环利用。 5．“三废”处理和能量综合利用 (1)“三废”处理方法
①尾气吸收：SO2＋Ca(OH)2===CaSO3＋H2O CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O
②废水处理：根据杂质性质的不同，采用不同的化学方法，如酸碱中和法、重金属离子沉淀法。
③废渣利用：制砖或制造水泥，提炼贵重有色金属。 (2)能量的充分利用
硫酸生产中的反应热可用于预热即将参加反应的SO2，还可以由硫酸厂向外界输出大量能量(供热发电)。
6．硫酸厂址的选择
不能在人口密集的居住区，不能在风景旅游区，由于硫酸不便 于运输，故硫酸厂址要离消费中心近，还要综合考虑原料地、水源、交通、能源等因素的影响。
(1)工业上用98%的H2SO4溶液吸收SO3，是因为用水吸收会产生酸雾，腐蚀设备。 (2)煅烧黄铁矿制得的炉气中含有三种有害杂质：矿尘，砷、硒等化合物，水蒸气；对应三个净化过程：除尘、水洗和干燥，避免催化剂中毒。
1．在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的主要原因二者都正确的是 ( )
A．硫铁矿燃烧前要粉碎，因为大块的硫铁矿不能燃烧
B．SO3用98%的浓硫酸吸收，目的是防止形成酸雾，以便SO3吸收完全 C．SO2氧化为SO3时需使用催化剂，这样可以提高SO2的转化率 D．从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中SO2会与杂质反应 答案： B
2．以黄铁矿为原料，采用接触法生产硫酸的流程可简示如下：
请回答下列问题：
(1)在炉气制造中，生成SO2的化学方程式为____________________。
(2)炉气精制的作用是将含SO2的炉气________、________及干燥，如果炉气不经过精制，对SO2催化氧化的影响是____________________。
(3)精制炉气(含SO2体积分数为7%、O2为11%、N2为82%)中SO2平衡转化率与温度及
压强关系如下图所示。在实际生产中，SO2催化氧化反应的条件选择常压、450 ℃左右(对应图中A点)，而没有选择SO2转化率更高的B或C点对应的反应条件，其原因分别是________________、________________；
(4)在SO2催化氧化设备中设置热交换器的目的是______________、______________，从而充分利用能源。
高温
解析： (1)4FeS2＋11O2=====2Fe2O3＋8SO2。
(2)SO2气体中含有矿尘，水汽等，会对催化剂的活性和设备产生不良影响，所以进入接触室之前，需对气体进行除尘、洗涤及干燥。
(3)由图可知，在450 ℃、0.1 MPa时，转化率已达95%以上，采用更高的压强，对设备要求更高，而对转化率影响较小；在0.1 MPa，温度较低时，反应速率较慢、产量低。
(4)将反应产物的热量及时交换给SO2和O2，使平衡2SO2＋O2
动，提高SO2的转化率，使能量循环利用节约能源。
高温
答案： (1)4FeS2＋11O2=====2Fe2O3＋8SO2 (2)除尘 洗涤 使催化剂中毒 (3)见解析
(4)能量循环利用 提高SO2转化率(其他合理答案也可)
◎名师归纳 化学原理在硫酸工业生产中的应用及相关计算 1．化学反应速率和化学平衡原理 (1)增大化学反应速率的措施 ①升高温度。 ②使用催化剂。
③在沸腾炉中燃料燃烧时，将原料粉碎，增大与空气的接触面积。 (2)反应条件的选择
①温度：400～500 ℃，根据平衡移动原理，应在低温下进行，但低温时催化剂的活性不高，反应速率低，实际生产中采用400～500 ℃的温度。
②常压：根据平衡移动原理，应在高压下进行，但增大压强对SO2的转化率提高不大，且加压会增大成本和能量消耗，而常压下的转化率已很高，实际生产中采用常压操作。
③适当过量的空气：提高SO2的转化率。 2．逆流原理
沸腾炉中原料从炉顶落下，热空气从炉底吹入，使原料与助燃气体充分接触，反应进
催化剂
2SO3向右移△
2015届高考化学总复习讲义教案：《化学与工农业生产》
