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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） 工业生产其他物质（工业制备碳酸锂，硫酸钡等化工原理） 试题正文
  • 填空题
    四川有丰富的天然气资源。以天然气为原料合成尿素的主要步骤如下图所示（图中某些转化步骤及生成物未列出）： 请填写下列空白：

    （1）已知0.5 mol甲烷和0.5 mol水蒸气在t ℃，p k Pa时，完全反应生成一氧化碳和氢气（合成气），吸收了a kJ热量。该反应的热化学方程式是：____________。
    （2）在合成氨的实际生产过程中，常采取的措施之一是：将生成的氨从混合气体中即时分离出来，并将分离出氨后的氮气和氢气循环利用，同时补充氮气和氢气。请应用化学反应速率和化学平衡的观点说明采取该措施的理由：_______________。
    （3）当甲烷合成氨气的转化率为75％时，以5.60×107L甲烷为原料能够合成______________L 氨气。（假设体积均在标准状况下测定）
    （4）已知尿素的结构简式为：请写出两种含有碳氧双键 的尿素的同分异构体的结构简式：①________________ ，②_____________ 。
    本题信息：2012年陕西省模拟题化学填空题难度较难 来源:杨云霞
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本试题 “四川有丰富的天然气资源。以天然气为原料合成尿素的主要步骤如下图所示（图中某些转化步骤及生成物未列出）： 请填写下列空白：（1）已知0.5 mol甲烷和0.5 mo...” 主要考查您对

合成氨（人工固氮）

工业生产其他物质（工业制备碳酸锂，硫酸钡等化工原理）

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  • 合成氨（人工固氮）
  • 工业生产其他物质（工业制备碳酸锂，硫酸钡等化工原理）
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。


化工生产过程中的基本问题：

1．确定化工生产的最佳过程
确定化工生产反应原理与过程的一般方法：对于某一具体的化工产品，研究生产过程要从产品的化学组成和性质考虑，来确定原料和生产路线。
①分析产品的化学组成，据此确定生产产品的主要原料；
②分析产品与生产原料之间关键元素的性质，确定主要生产步骤；
③分析生产原料的性质．确定反应原理。
2．选择化工生产的最佳原料
选择原料首先要考虑化学反应原理，此外还要考虑厂址选择、原料供应、能源供应、工业用水供应、产品存储、产品运输、产品预处理成本、环境保护等。
3．控制最佳化学反应条件
控制反应条件是取得化工生产最佳综合效益的重要环节之一。控制反应条件要应用化学反应速率理论和化学平衡原理，结合具体化学反应的特点以及生产技术和设备条件、能源消耗等，控制最佳化学反应速率和反应物的平衡转化率。
4．科学治理工业“三废”
“三废”主要是指废气、废液和废渣。治理“三废” 首先要从设计生产工艺与选择原料做起，即从源头上解决问题；其次是把好排放关，对排出的“三废”的处理，要尽最大努力使其资源化，最低要求是无害化。
5．充分利用“废热”
通过热交换或其他方式利用化学反应所放出的热量。

硫代硫酸钠的工业制法：

(1)亚硫酸钠　
将纯碱溶解后，与（硫磺燃烧生成的）二氧化硫作用生成亚硫酸钠，再加入硫磺沸腾反应，经过滤、浓缩、结晶，制得硫代硫酸钠。　　
Na2CO3+SO2==Na2SO3+CO2 　　Na2SO3+S+5H2O==Na2S2O3·5H2O 　　
(2)硫化碱法　
利用硫化碱蒸发残渣、硫化钡废水中的碳酸钠和硫化钠与硫磺废气中的二氧化硫反应，经吸硫、蒸发、结晶，制得硫代硫酸钠。　
2Na2S+Na2CO3+4SO2==3Na2S2O3+CO2 　　
(3)氧化、亚硫酸钠和重结晶法　
由含硫化钠、亚硫酸钠和烧碱的液体经加硫、氧化；亚硫酸氢钠经加硫及粗制硫代硫酸钠重结晶三者所得硫代硫酸钠混合、浓缩、结晶，制得硫代硫酸钠。　　
2Na2S+2S＋3O2==2Na2S2O3 　　Na2SO3+S==Na2S2O3 　　
(4)重结晶法　
将粗制硫代硫酸钠晶体溶解（或用粗制硫代硫酸钠溶液），经除杂，浓缩、结晶，制得硫代硫酸钠。
砷碱法净化气体副产　利用焦炉煤气砷碱法脱硫过程中的下脚（含Na2S2O3），经吸滤、浓缩、结晶后，制得硫代硫酸钠。

高锰酸钾的工业制法：

工业上利用二氧化锰制备高锰酸钾，其步骤是
(1)二氧化锰与氢氧化钾共熔并通入氧气：2MnO2+4KOH+O22K2MnO4+2H2O
(2)电解锰酸钾溶液：2K2MnO4+2H2O2KMnO4+H2↑+2KOH
高锰酸钾常见的制备方法有以下两矿石中取得的二氧化锰和氢氧化钾在空气中或混合硝酸钾（提供氧气）加热，产生锰酸钾，再于碱性溶液中与氧化剂进行电解氧化得到高锰酸钾。　　2MnO2+4KOH+O2→2K2MnO4+2H2O 　　2K2MnO4+Cl2→2KMnO4+2KCl 　　
也可以用MnSO4在酸性环境中和二氧化铅（PbO2）或铋酸钠（NaBiO3）等强氧化剂反应产生。此反应也用于检验二价锰离子的存在，因为高锰酸钾的颜色明显种：
①法一：以MnO2（软锰矿）为原料制KMnO4
第一步：Mn(IV)→Mn(VI) 2MnO2+4KOH+O2====2K2MnO4+2H2O
第二步：CO2歧化K2MnO4 K2MnO4+2CO2====2KMnO4+MnO2+2K2CO3
这种制备方法的最高产率为66.7% 法
②电解法：阳极：2MnO42--2e-→2MnO4- 阴极：2H2O+2e-→H2↑+2OH- 总电解反应方程式为2K2MnO4+2H2O→2KMnO4+2KOH+H2↑
理论产率可达100%

纯硅的制取：

工业上在电炉内，用硅石和碳反应得粗硅和一氧化碳，然后用粗硅和氯气反应得四氯化硅，再用四氯化硅和氢气反应的纯硅和氯化氢，这样就完成硅的制造。（第一步完全相同，第二部有三种方法，工业上用的的是西门子的方法，其他两种不常见。）反应方程式
(1)石英制硅（冶金级），这一步是粗硅制取硅商业上是由高纯度的石英砂和木头，焦炭和煤使用碳棒电极在电弧炉中制得。在高于1900°C的温度下，依照下列方程式碳把石英砂还原成硅： SiO2+C→Si+CO2. SiO2+2C→Si+2CO. 这一过程所的硅称为冶金级硅。纯度为98%-99%。另外，硅制备办法还有熔盐电解法，即电解熔解的二氧化硅。
(2)高纯硅的制备在制备高纯硅之前，需要把粗硅转化成三氯化氢硅（300°C）： Si+3HCl→HSiCl3+H2 接着，通过精馏使SiHCl3与其它氯化物分离，经过精馏的SiHCl3，其杂质水平可低于10-10％的电子级硅要求。然后，提纯后的SiHCl3通过CVD原理在1150°C下制备出多晶硅粉。2HSiCl3→Si+2HCl+SiCl4.


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