2019-2020学年化学人教版选修2学案：第1单元课题2　人工固氮技术——合成氨

氮的固定指的是将游离态氮转变为化合态氮的方法。

一、合成氨的反应原理

如下图为合成氨的实验装置

加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氮气的混合气体，可以看到湿润的pH试纸变蓝色。

用氢气和氮气合成氨的化学反应方程式是N₂＋3H₂高温、高压催化剂2NH₃，属放热反应。

工业上，采用以铁为主的催化剂，在400～500 ℃和10～30 MPa的条件下合成氨。

工业合成氨的反应特点是什么？

提示：(1)体积减小的反应；(2)放热反应；(3)反应条件为高温、高压、催化剂。　　

二、合成氨的基本生产过程

制备合成氨的原料气

(1)制取N₂：物理方法为将空气液化，蒸发分离出氧气。

化学方法为碳在空气中燃烧，O₂充分反应后除去CO₂制取氮气。

(2)制取H₂：

①用水蒸气通过赤热的煤层，使水蒸气与碳反应制得。主要反应为 C＋H₂O===CO＋H₂。

②也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气中的碳氢化合物与水蒸气在催化剂作用下制备。主要反应为CH₄＋H₂O===3H₂＋CO，CH₄＋2H₂O===4H₂＋CO₂。

原料气净化处理

(1)原料气净化的原因是有些杂质可使催化剂“中毒”。

(2)用稀氨水吸收H₂S杂质：NH₃·H₂O＋H₂S===NH₄HS＋H₂O。

(3)使CO变成CO₂：CO＋H₂O===CO₂＋H₂。

(4)除去CO₂(用K₂CO₃溶液吸收)：K₂CO₃＋CO₂＋H₂O===2KHCO₃。

将原料气合成氨与分离

从合成塔出来的混合气体，氨气占总体积的15%，要把混合气体通过冷凝器、分离器，再导入液氨贮罐。

三、合成氨工业的发展

原料及原料气的净化

原料气之一的氮气来自空气，目前氢气主要通过不同的固态(煤和焦炭)、液态(石油中提炼的石脑油、重油)、气态(天然气、焦炉气)可燃物为原料制取。

催化剂的改进

多年来一直用磁铁矿作催化剂，目前有采用钌为基础活性物质的新型催化剂。

环境保护

(1)废渣：可用作原料。

(2)废气：主要是 H₂S和 CO₂ 等有害气体，对H₂S的处理，可用直接氧化法(选择性催化氧化)、循环法(用溶剂吸收浓缩)，CO₂可用来生产尿素和碳铵等。

(3)废液：主要是含氰化物和含氨的污水，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。处理含氨废水可用蒸馏的方法回收，也可用离子交换法治理。