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高中三年级化学

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首页 高中三年级化学知识 合成氨（人工固氮） 工业生产纯碱 工业制取硝酸 试题正文
  • 填空题
    下图是合成氨和利用氨制取硝酸、纯碱的简要流程示意图：

    (1)设备A的名称是________，设备B的名称是___________。
    (2)有关合成氨工业的说法中，正确的是__________（填序号）。
    A．从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低
    B．由于氨易液化，N2、H2是循环使用，所以总体来说氨的产率很高
    C．合成氨工业的反应温度控制在500℃左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动
    D．合成氨厂采用的压强是2×107~5×107Pa，因在该压强下铁触媒的活性最大
    (3)在纯碱制造过程中，过程①与过程②的顺序能否颠倒？______（填“能”或“否”），为什么？________________________。若产品纯碱中含有碳酸氢钠，用加热分解的方法测定纯碱中碳酸氢钠的质量分 数，则其质量分数可表示为___________________________ （注明表达式中所用符号的含义）。
    (4)硝酸厂的尾气中含有NO和NO2等污染物，常利用各种燃料气中的甲烷等将氮的氧化物还原为空气的主要成分而除去。写出甲烷与NO2反应的化学方程式：____________________。若基于下列反应的方法治理：2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O，NO+NO2+2NaOH=2NaNO2+H2O；标准状况下NO、NO2的混合物恰好与50 mL 2.0 mol/L的NaOH溶液完全反应，且生成NaNO2和NaNO3的物质的量的比值为4:1，则在混合气体中NO的体积分数为_________。
    本题信息：2011年模拟题化学填空题难度较难 来源:于丽娜
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本试题 “下图是合成氨和利用氨制取硝酸、纯碱的简要流程示意图：(1)设备A的名称是________，设备B的名称是___________。(2)有关合成氨工业的说法中，正确的是________...” 主要考查您对

合成氨（人工固氮）

工业生产纯碱

工业制取硝酸

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  • 合成氨（人工固氮）
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氮的固定：
1．定义：氮的固定是指将游离态的氮转化为化合态氮的方法。
2．方法：氮的固定主要方法有：
（1）人工合成氨 ：化学固氨法。其条件要求高、成本高、转化率低、效率低。 
（2）根瘤菌，生物固氨。常温常压下进行。成本低、转化率高、效率高。
3．工业应用：模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产，借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。 二、合成氨的反应原理
1．加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氨气的混合气体，可以看到湿润的PH试纸变蓝色
2．用氢 气和氨气合成氨的反应式是
N2+3H22NH3，属放热反应。
3．工业上，采用以铁为主的催化剂，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的条件下合成氨。
（1）催化剂的主要作用：成千上万倍地加快化学反应速率，缩短达平衡的时间，提高日产量。
（2）合成氨的适宜条件：以铁为主的催化剂，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的条件
（3）选择适宜生产条件的原则：有较高的反应速率和平衡转化率，能最大限度地提高利润。
（4）合成氨生产时，不采用尽可能高的压强，通常采用10MPa~30MPa 的压强，否则会增大设备的动力要求，增大成本。
（5）合成氨的反应为放热反应，降低温度促使平衡向有移动，有利于N2、H2转化为NH3；但降温必然减缓了反应速率，影响单位时间产率。生产中将二者综合考虑，既要保证N2、H2的转化率，又要保证较快的反应速率，只能选择适中的温度400～500℃左右。应注意该温度为催化剂活化温度，低于此温度，催化剂不起作用。
（6）催化剂是影响反应速率的几个因素中，对反应速率影响程度最大的。
催化剂的特点： 
①选择性：不 同的反应选择不同的催化剂，如合成氨选择了铁触媒。每种催化剂都是对特定的反应有催化作用，并非能改变任何化学反应的速率。 
②灵敏性：催化剂中混入杂质，常常会失去催化作 用，称催化剂“中毒”，因此  反应气体进入反应器前必须净化。 ③催化剂只有在活化温度以上才能起催化作用，如铁触媒活化温度为400～500℃，因此该温度为合成氨的适宜温度。 

人工固氮技术——合成氨：

1．生产原理
 
2．合成氨的基本生产过程
(1)原料气的制备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。
①氮气的制备合成氨所需要的氮气都取自空气。从空气中制取氮气通常有两种方法：一是将空气液化后蒸发分离出氧气而获得氮气；二是将空气中的氧气与碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳得到氮气。
②氢气的制备氢气主要来源于水和碳氢化合物。氢气的制取有下表中的几条途径。

(2)原料气的净化
原料气的净化就是除去原料气中的杂质。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”(所谓“中毒”即是催化剂失去催化活性)，所以必须除去。原料气净化的主要目的是防止催化剂“中毒”。
(3)氨的合成与分离
①氨的合成工业合成氨的主要设备是合成塔。将净化后的原料气经过压缩机压缩后输人合成塔，经过下列化学反应合成氨：

②氨的分离从合成塔出来的混合气体，通常约含15％(体积分数)的氨。为了使氨从未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。南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。
3．合成氨适宜条件的选择
外加条件要尽可能加快反应速率，提高反应物的转化率.


 4．合成氨的环境保护
随着环境保护意识的增强，以及相关的法律、法规的严格实施，合成氨生产中可能产生的“三废”的处理越来越成为技术改造的重要问题。
(1)废渣
主要来自造气阶段，特别是以煤为原料而产生的煤渣，用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。
(2)废气
主要是H2S和CO2等气体。对H2S气体的处理，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。对CO2 的处理，正在不断研究和改进将其作为尿素和碳铵生产原料的途径。
(3)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。


工业生产纯碱：

纯碱（学名碳酸钠）实际上是盐，由于它在水中发生水解作用而使溶液呈碱性。纯碱易溶于水，呈强碱性，能提供
Na+离子。这些性质使它们被广泛地用于制玻璃、肥皂、纺织、印染、漂白、造纸、精制石油、冶金及其他化学工业等各部门中。
碳酸钠在自然界中存在相当广泛。一些生长在盐碱地和海岸附近的植物中含有碳酸钠，可以从植物的灰烬中提取；当冬季来临时，碱湖中所含的碳酸钠结晶析出，经过简单的加工就可以使用。
世界上最早是通过路布兰法实现了碳酸钠的工业生产。其生产原理是：
用硫酸将食盐转变成硫酸钠
NaCl+H2SO4NaHSO4+HCl↑NaCl+NaHSO4Na2SO4+HCl↑
将硫酸钠与木炭、石灰石一起加热，反应生成碳酸钠和硫化钙 
Na2SO4+2CNa2S+2CO2↑   Na2S+CaCO3Na2CO3+CaS
存在原料利用不充分、成本较高、设备腐蚀严重等

氨碱法生产硫酸：
氨碱法是由比利时人索尔维发明的，所以，氨碱法也称为索尔维制碱法。氨碱法的原料也是氯化钠和碳酸钙，不同的是它还使用了炼焦的副产品氨。
原料：CaCO3、NaCl、NH3 
1．生成碳酸氢钠和氯气铵
将CO2通入含NH3的饱和NaCl溶液中 
NH3+CO2+H2O==NH4HCO3  NaCl+NH4HCO3==NaHCO3↓+NH4Cl 
2．抽取碳酸钠2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O↑
氨碱法生产原理：

氨碱法的优点：原料便宜易得，氨和部分二氧化碳可循环利用，产品纯度高，步骤简单。氨碱法的缺点：副产物氯化钙的处理问题，氯化钠的利用率低。 

联合制碱法：
 
我国化学侯德榜（下图）改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：

（1）上述生产纯碱的方法称联合制碱法或侯德榜制碱法，副产品的一种用途为化肥或电解液或焊药等。
（2）沉淀池中发生的化学反应方程式是NH3＋CO2＋H2O＋NaCl＝NH4Cl＋NaHCO3↓或NH3＋CO2＋H2O＝NH4HCO3     NH4HCO3＋NaCl＝NaHCO3↓＋NH4Cl。
（3）写出上述流程中X物质的分子式CO2。
（4）使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上，主要是设计了I 的循环。从沉淀池中取出沉淀的操作是过滤
（5）为检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠，可取少量试样溶于水后，再滴加稀硝酸和硝酸银溶液
（6）向母液中通氨气，加入细小食盐颗粒，冷却析出副产品，通氨气的作用是：
①增大NH4+的浓度，使NH4Cl更多地析出②使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出的NH4Cl纯度
联合法综合利用了合成氨的原料，提高了氯化钠的利用率，减少了环境污染。
NH3、CO2都来自于合成氨工艺；这样NH4Cl就成为另一产品化肥。综合利用原料、降低成本、减少环境污染，NaCl利用率达96％。



工业制取硝酸：

(1)其法以氨和空气为原料，用Pt—Rh合金网为催化剂在氧化炉中于800℃进行氧化反应，生成的NO在冷却时与O2生NO2，NO2在吸收塔内用水吸收在过量空气中O2的作用下转化为硝酸，最高浓度可达50％。
4NH3+5O24NO+6H2O①
2NO+O2==2NO2②
3NO2+H2O==2HNO3+NO③
4NO2+O2+2H2O==4HNO3④
③中的NO可以进入②中继续利用
制取的50%的硝酸用硝酸镁或者浓H2SO4做吸水剂，蒸馏，可得到高浓度的硝酸，甚至98%以上的“发烟”硝酸。尾气处理，生产过程中NO循环使用，可以最大程度利用原料，并且减少尾气中的NOx的排放，尾气一般用NaOH溶液进行吸收，发生氧化还原反应，可以综合利用尾气中的NOx：2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O、NO+NO2+2NaOH=2NaNO3+H2O
(2)制取的50%的硝酸用硝酸镁或者浓H2SO4做吸水剂，蒸馏，可得到高浓度的硝酸，甚至98%以上的“发烟”硝酸。尾气处理，生产过程中NO循环使用，可以最大程度利用原料，并且减少尾气中的NOx的排放，尾气一般用NaOH溶液进行吸收，发生氧化还原反应，可以综合利用尾气中的NOx 2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O NO+NO2+2NaOH=2NaNO3+H2O
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