化学家园

高考重要考点—化学工业

                                      

2006化学考试大增加的“以合成氨工业生产为例，用化学反应速率和化学平衡的观点理解工业生产的条件”考点，体现了高考较强的导向性——要求学生学以致用，能够用所学的知识去解决生产、生活上的实际问题。由于这一考点的增加使得＂化学工业＂在高考中的地位明显增加。有关＂化学工业＂主要知识点有：合成氨工业、合成硫酸、氯碱工业的生产原理、设备、生产流程、尾气的吸收与处理，除要考虑生产流程、原料用量、价格，同时还要考虑反应所需的条件，以及对设备的要求等。

一、知识结构

二、要点指导

1．化工生产选择适宜条件的原则

化工生产选择适宜条件的目的是尽可能加快反应速率和提高反应进行的程度，依据外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的规律确定，其原则是：

(1)对任一可逆反应，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，如氮气与氢气的配比为1.07∶3。

(2)对气体分子数减少的反应，增大总压使平衡向增大生成物的的方向移动。但压强太大，动力消耗，设备要求、成本增高，故必须综合考虑。

(3)对放热反应，升温，提高反应速率，但转化率降低，若温度太低，反应速率又太慢，故需使用适当的催化剂。

对吸热反应，升温，加快反应速率，又能提高转化率，但要避免反应物或生成物的过热分解。

(4)使用催化剂可大大提高反应速率且不影响化学平衡，但使用时必须注意其活性温度范围，且防止催化剂“中毒”，延长使用寿命。

合成氨适宜条件：500℃、铁触媒、2×10⁷～5×10⁷、循环操作。

2．关于硫酸工业综合经济效益的讨论

(1)环境保护与原料的综合利用。化工生产必须保护环境，严格治理“三废”，并尽可能把“三废”变为有用的副产品，实现原料的综合利用。硫酸厂的“三废”处理方法是：

①尾气吸收（氨吸收法）

SO₂+2NH₃+H₂O＝（NH₄）₂SO₃

（NH₄）₂SO₃+H₂SO₄＝（NH₄）₂SO₄+SO₂+H₂O

②废水处理（石灰乳中和法）

Ca（OH）₂+H₂SO₄＝CaSO₄+2H₂O

③废渣利用，制砖或制造水泥

(2)能量的充分利用。化工生产中应充分利用反应热，这对于降低成本具有重要意义。硫酸生产中的反应热不仅用于预热反应物满足自身能量的需要，而且还可以由硫酸厂向外界输出大量能量（供热发电）。

(3)厂址选择和生产规模。化工厂厂址的选择，涉及原料、水源、能源、土地供应，市场需求、交通运输和环境保护等因素，应对这些因素综合考虑，作出合理的抉择。由于硫酸是腐蚀性液体，不便贮存和运输，因此硫酸厂应建在靠近硫酸消费中心的地区，应避开人口稠密的居民区和环境保护要求高的地区。工厂规模大小，主要由硫酸用量的多少来决定。

3．绿色化学

中学化学中涉及到的化工生产知识渗透绿色化学的观点，具体体现在如下几个方面：

(1)节省资源，提高原料转化率和利用率。例如在合成氨工业，硝酸工业，接触法制硫酸，联合制碱法等工艺流程中采取了循环操作，体现了绿色化学中节省能源的基本原理。

(2)化工生产中均介绍了尾气回收方法和处理装置以防止或减少环境污染。例如：氨氧化法制硝酸、接触法制硫酸、炼钢、炼铁等均介绍了尾气处理或尾气吸收装置。

(3)现行教材中涉及的化工生产体现了绿色化学内涵——设计新的化学反应条件，降低对人类健康和环境的危害，减少废弃物的产生和排放。例如教材中介绍了无氰电镀，由乙炔制乙醛工业生产中使用非汞催化剂的原因。

三、典型例题讲解

例1、下面是合成氨的简要流程示意图：

沿x路线回去的物质是

A．N₂和H₂      B．催化剂  C．NH₃        D．H₂

解析：反应混合气经过合成塔发生反应：N₂+3H₂2NH₃，成分变为N₂、H₂、NH₃，经冷凝，NH₃液化，N₂、H₂沸点很低，仍未液化，故再送入压缩机，循环使用，提高原料利用率。答案 A。

例2、读某城市的城市布局示意图，回答有关问题：

①煤炭基地  ②大型硫酸厂  ③自来水厂  ④疗养院  ⑤大型商场  ⑥食品厂  ⑦化工厂  ⑧造纸厂  ⑨污水处理厂  ⑩高等院校

(1)该城市布局是否合理？请分析原因。

(2)图中②处分布大型硫铁矿（主要成分是FeS₂）。写出制取二氧化硫、三氧化硫的化学方程式。

(3)接触法制硫酸的尾气中还含有少量的二氧化硫，如果排入大气，就会造成环境污染。你认为该企业应该采用什么方法回收、利用尾气中的二氧化硫，写出有关反应的化学方程式。

(4)该市经济发达，每天有大量的汽车，排放氮氧化合物、碳氢化合物，以及企业、家庭炉灶排放大量的二氧化硫、二氧化碳等，会导致市民心脏出现什么后果？该市应采取哪些措施防治大气污染？

解答：（1）煤炭基地、大型硫酸厂、化工厂布局合理，理由是它们都接近原料基地，且在垂直风向的郊外，自来水厂、疗养院、大型商场、食品厂布局合理。自来水厂在河流上游，不受或少受污染，分布在居民区中心地带。造纸厂不合理，理由是，它位于夏季风的上风地带，且离居民区、高等院校较近，大气污染严重。铁路穿过市区不合理，因为噪声污染、大气污染严重。

（2）4FeS₂+11O₂2Fe₂O₃+8SO₂2SO₂+O₂2SO₃

（3）氨吸收法：SO₂+2NH₃+H₂O＝（NH₄）₂SO₃

（NH₄）₂SO₃+H₂SO₄＝（NH₄）₂SO₄+SO₂↑+H₂O。

（4）心脏供氧不足，心脏收缩性减弱，因而心输出量减少。该市应采取的措施是：①大力植树造林；②限制大量汽车将碳氢化合物、氮氧化合物排入大气；③采用科学技术对硫酸厂、化工厂、造纸厂、煤炭基地的废气进行回收处理；④创造条件，将造纸厂迁移到远离市区的郊外。

例3、甲、乙、丙三个化肥厂生产尿素所用的原料不同，但生产流程相同，试解答下列问题：

(1)用化学方程式表示甲、乙、丙三个工厂合成尿素的原料气H₂和CO₂的生产过程。

①甲厂以焦炭、空气和水为原料；②乙厂以天然气、空气和水为原料；

③丙厂以石脑油（主要成分C₅H₁₂）、空气和水为原料。

(2)按工业有关规定，利用原料所制得的原料气H₂和CO₂的物质的量之比，若最接近合成尿素的原料气NH₃（换算为H₂的物质的量）和CO₂物质的量之比，则对原料的利用率最高。据此判断甲、乙、丙三个工厂哪个工厂对原料的利用率最高？

解析：绿色化学的最大特点在于它是在始端就采用预防实际污染的科学手段，因而过程和终端均为零排放和零污染。通过化学转化获取新物质的过程中，就是要充分利用每种原料的原子，具有“原子经济性”。只有这样，才能做到既充分利用了资源，又实现了防止污染。

答案：（1）甲厂：C+H₂O（g）CO+H₂

CO+H₂O（g）CO₂+H₂    N₂+3H₂2NH₃

乙厂：CH₄+H₂O（g）CO+3H₂

CO+H₂O（g）CO₂+H₂   N₂+3H₂2NH₃

丙厂：C₅H₁₂+5H₂O（g）5CO+11H₂

CO+H₂O（g）CO₂+H₂  N₂+3H₂2NH₃

(2)由甲厂生产过程化学方程式可得如下关系式：

C+2H₂O（g）＝2H₂+CO₂，得n（H₂）∶n（CO₂）＝2∶1

由乙厂生产过程化学方程式可得如下关系式：

CH₄+2H₂O＝＝＝4H₂+CO₂，得n（H₂）∶n（CO₂）＝4∶1

由丙厂生产过程化学方程式可得如下关系式：

C₅H₁₂（g）+10H₂O（g）＝16H₂+5CO₂得n（H₂）∶n（CO₂）＝16∶5＝3.3∶1

由合成CO（NH₂）₂反应方程式：

2NH₃+CO₂＝CO（NH₂）₂+H₂O

可得：n（H₂）∶n（CO₂）＝∶1＝3∶1

故对照甲、乙、丙三厂原料气H₂和CO₂物质的量之比，只有丙厂原料气n（H₂）∶n（CO₂）＝3.3∶1，最接近3∶1，故丙厂对原料利用率最高。

例4、在硫酸工业中，通过下列反应使SO₂转化为SO₃：2SO₂+O₂2SO₃，ΔH＜0，已知常压下平衡混合气体中SO₃体积分数为91%。试回答：

（1）在生产中常用过量的空气是为了____________________________________。

（2）加热到400℃～500℃是由于_____________________________________。

（3）压强采用______________，原因是__________________________________。

（4）常用浓H₂SO₄来吸收SO₃而不用水，因为____________________________。

解析：此题考查了在硫酸工业中运用化学平衡原理选择适宜生产条件的能力。选择适宜的反应条件，要从浓度、压强、温度、催化剂等条件中考虑该反应的速率、转化率，同时还要考虑工业生产的实际情况。如（2）（4）两问是考虑速率问题，第（1）（3）问则是考虑化学平衡问题，且第（3）问要考虑生产的实际情况。

答案：（1）增大氧气浓度，提高成本较高的SO₂的转化率  （2）在此温度下，催化剂活性强，反应速率快，可缩短到达平衡的时间，提高单位时间内SO₃的产率  （3）常压  因常压下平衡混合气体中SO₃的体积分数已达91%，若再加压，对设备动力系统要求高，成本高，加压已无实际意义  （4）用水吸收易形成酸雾，降低吸收速率；防止空气污染。

例5、氯碱厂电解饱和食盐水溶液制取NaOH的工艺流程示意图如下：

依据上图，完成下列填空：

（1）在电解过程中，与电源正极相连的电极上发生反应的化学方程式为___________，与电源负极相连的电极附近，溶液的pH_______________________。（选填不变、升高或降低）。

（2）工业食盐含Ca²⁺、Mg²⁺等杂质，精制过程发生反应的离子方程式为____________。

（3）如果粗盐中SO含量较高，必须添加钡试剂除去SO，该钡试剂可以是____________________________。（选填A、B或C）

A．Ba（OH）₂    B．Ba（NO₃）₂    C．BaCl₂

（4）为了有效地除去Ca²⁺、Mg²⁺、SO，加入试剂的合理顺序为________________，（选填A、B或C）

A．先加入NaOH，后加入Na₂CO₃，再加入钡试剂

B．先加入NaOH，后加入钡试剂，再加入Na₂CO₃

C．先加入钡试剂，后加入NaOH，再加入Na₂CO₃

（5）脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异，通过_________________、冷却、_______________________（填写操作名称）除去NaCl。

（6）用隔膜法电解食盐水时，电解槽分隔为阳极区和阴极区，防止Cl₂和NaOH反应；采用无隔膜电解冷的食盐水，Cl₂和NaOH充分接触，产物仅是NaClO和H₂，相应的化学方程式为____________________________。

解析：此题以氯碱工业的生产工艺流程为命题背景，涉及电解饱和食盐水溶液的反应原理、粗盐的精制、化学实验基本操作方法、离子方程式和电极反应式的书写等。理论知识与生产知识兼有。

(1)电解食盐水时，与电源正极相连的电极发生的反应是2Cl^－－2e^－＝Cl₂↑，与电源负极相连的电极发生的反应是2H^＋+2e^－＝H₂↑，消耗H⁺，即产生OH^－，所以溶液的pH升高。

(2)精制过程中，加入Na₂CO₃除去Ca^2＋（Ca^2＋+CO^2＋＝CaCO₃↓）；加入NaOH除去Mg^2＋［Mg^2＋+2OH^－＝Mg（OH）₂↓］，由于Mg（OH）₂的溶解度小于MgCO₃的溶解度，所以Mg^2＋与OH^－、CO混合时，主要生成Mg（OH）₂沉淀。

(3)除去SO应选择Ba²⁺，如加入Ba（NO₃）₂，溶液中会引入杂质NO，而加入BaCl₂或Ba（OH）₂均不会增加新的杂质。

(4)除杂质时加入Ba^2＋和OH^－无先后之分，但Na₂CO₃一定在BaCl₂之后加入，因为CO还能除去多余的Ba^2＋。

(5)脱盐工序的目的是分离NaOH和NaCl，由于NaCl溶解度小，因而NaCl首先析出，其操作过程是蒸发，冷却、结晶，经过滤得到NaCl晶体。

(6)如无隔膜会发生如下反应Cl₂+2NaOHNaCl+2NaClO+H₂O，电解食盐水溶液的化学方程式为2NaCl+2H₂O2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，两反应的化学方程式相加得NaCl+H₂ONaClO+H₂↑

答案：（1）2Cl^－－2e^－＝Cl₂↑  升高（2）Ca²⁺+CO＝CaCO₃↓

Mg²⁺+2OH^－＝Mg（OH）₂↓

（3）AC（4）BC（5）蒸发  过滤

（6）NaCl+H₂ONaClO+H₂↑

例6、利用天然气合成氨的工艺流程示意图如下：

依据上述流程，完成下列填空：

(1)天然气脱硫时的化学方程式是_______________________________________。

(2)n mol CH₄经一次转化后产生CO 0.9n mol，产生H_{2___________________________}mol（用含n的代数式表示）

(3)K₂CO₃（aq）和CO₂反应在加压下进行，加压的理论依据是__________________

A．相似相溶原理B．勒夏特列原理C．酸碱中和原理

(4)由KHCO₃分解得到的CO₂可以用于___________________________（写出CO₂的一种重要用途）。

(5)整个流程有三处循环，一是Fe（OH）₃循环，二是K₂CO₃（aq）循环，请在上述流程图中标出第三处循环（循环方向、循环物质）。

解析：（1）流程图中已给出反应物是H₂S和Fe（OH）₃，生成物是Fe₂S₃和H₂O，CH₄没有参与反应，写出方程式再配平即可。

（2）写出此反应的方程式：CH₄+H₂OCO+3H₂，就很容易地看出产生H₂应为3×0.9 n mol＝2.7 n mol。

（3）CO₂为气体，加压有利于平衡右移，利用的是勒夏特列原理。

（4）此题考查了考生对CO₂用途的记忆，写任一种用途即可。

（5）合成氨反应是一可逆反应，H₂和N₂的转化率低，必须循环利用。

答案：（1）3H₂S+2Fe（OH）₃＝Fe₂S₃+6H₂O

（2）2.7 n  （3）B

（4）生产纯碱（或作制冷剂等，其他合理答案也可以）

例7、制取硝酸铵的流程图如下：

请回答下列问题：

(1)合成氨的原料通常各来自何处？

(2)已知N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g），ΔH＝－92 kJ·mol^－1。请解释：

①什么是可逆反应?

②为有效提高氨的产率，实际生产中宜采取哪些措施？

(3)写出氨催化氧化的化学方程式。铂—铑合金网有何作用？为什么铂铑合金网未预热也会发热？

(4)生产硝酸的过程中常会产生一些氮的氧化物，如何消除它们对大气的污染？写出反应式。

(5)举出硝酸铵的两种主要用途。解释为什么该用途对现代社会非常重要？

(6)在一定温度和压强的密闭容器中，将平均式量为8.5的H₂和N₂混合，当该反应达到平衡时，测出平衡混合气的平均式量为10，此时N₂的转化率为______________，平衡混合气体中NH₃的体积分数为____________________________________。

(7)请你为硝酸厂的选址提出合理化建议。

解析：运用化学反应速率、化学平衡原理，结合流程图和涉及反应的反应特点，及化工生产的实际情况分析解答。

答案：（1）N₂取自于空气，H₂可来自于水煤气；

（2）①略；②可采取增压、适当温度和使用铁触媒等措施；

（3）4NH₃+5O₂4NO+6H₂O，Pt－Rh合金网起催化作用；因为氨的催化氧化反应是放热反应，保证Pt－Rt合金网达到一定温度而不必预热；

（4）可用碱液吸收氮的氧化物：

NO+NO₂+2NaOH＝＝＝2NaNO₂+H₂O

（5）NH₄NO₃可作化肥和。前者可促使植物生长，增加农作物产量；后者可用于军事、建设上制造，故该物质对现代社会的发展与和平作用重大；

（6）30%  17.6%

（7）厂址的选择应具备以下有利条件：原料和产品运输方便，生产动力来源充足，废物易于处理，地价较便宜等。

【作者: 长空星雨】【访问统计:】【2008年01月23日 星期三 14:25】【注册】【打印】