轻松攻克高考化学推断题(三)
三、无机化学工业初步认识
1. 基本无机化学工业
(1)化工原料的获取
(2)重要的无机化学工业
①合成氨工业
反应原理: N2+3H2
a. 原料气的制备、净化
氮气:从空气中获得。可用液化空气分离法,将空气液化后,因为氮气的沸点比氧气低,因而使液态空气蒸发时,氮气先挥发出来;或先用焦炭与空气中的氧作用,生成CO2,再在高压下使CO2大量溶于水而分离出氮气。
氢气:由水和燃料获得。可先将水蒸气通过炽热的煤层或焦炭层,使水蒸气与碳发生反应,生成CO与H2,然后在催化剂作用下再使CO与水蒸气作用转化为CO2,除去CO2后即可得到所需的原料气。反应方程式:C+H2O
CO+H2 CO+H2O CO2+H2
实际的工业生产中,二者的制备是同时进行的。工厂里常使用石油、天然气、焦炉气等气体燃料,将其与空气和水蒸气共同作用制得含有氮气和氢气的粗原料气。工业上常用高压水吸法,使CO2大量溶于水中而得到粗原料气。
由于原料气中含有的CO、CO2和一些含硫化合物会使合成氨的催化剂中毒,因而制得的粗原料气还需要经过一氧化碳变换、脱硫脱碳等步骤,进行净化。{zh1}制得的氮氢比约为1:3的纯净气,经压缩机压缩后进入氨合成回路。
b. 氨的合成
合成氨的反应是在高压环境的合成塔中完成的,氮气和氢气混合后经过压缩从塔的上部进入合成塔。经过合成塔下部的热交换器,混合气体的温度升高,并进入放有触媒(催化剂)的接触室。在接触室,一部分氮气和氢气发生反应,合成了氨,混有氮气,氢气和氨气的混合气体经过热交换器离开合成塔。混合气体要经由冷凝器,将氨液化,因而将氨分离出来,而氮气和氢气的混合气体经压缩再次送入合成塔,形成循环。
对合成氨的适宜条件的讨论
浓度:一般采用N2和H2的体积比1∶3
当合成氨生产的原料气循环使用时,两种气体仍应保持1∶3 的体积比循环。
温度:500℃左右。从三个方面——反应速率、氨的产率、催化剂活性考虑。
合成氨是放热反应,降低温度虽有利于平衡向正反应方向移动,但温度过低,反应速率过慢,所以温度不宜太低,在500℃左右为宜,催化剂在这个温度活性{zd0}。
压强:一般采用2×107Pa~5×107Pa.
合成氨是体积缩小的可逆反应,所以压强增大,有利于氨的合成,但压强过高时,对设备的要求也就很高,制造设备的成本就高,而且所需的动力也越大,应选择适当的压强。
催化剂:用铁触媒作催化剂。
催化剂能加快反应速率,缩短达到平衡时间.,但不会影响氨的产率。
c. 氨的分离
把混合气体通过冷凝器,经冷凝使氨液化,将氨分离出来,导入液氨贮罐,提高原料的利用率。同时将未反应的H2、N2循环送入合成塔,使其充分利用。
②硫酸工业
课本上介绍的制取硫酸的方法是接触法,因为二氧化硫和氧气是在催化剂的表面接触时起反应的。这一方法由英国人P•菲利普斯在1831年首先发明。
反应原理:
a. 二氧化硫的制取与净化
沸腾炉中从炉底通入强大的空气流,在炉内一定空间里把矿粒吹得剧烈翻腾,好像“沸腾着的液体”。使用沸腾炉可使矿粒燃烧得比较xx,从而可提高原料的利用率。
从燃烧炉中出来的气体叫做炉气。用燃烧黄铁矿制得的炉气含有SO2、O2、N2、水蒸气以及一些杂质,如砷、硒等的化合物和矿尘等。杂质和矿尘都会使催化剂中毒,水蒸气对设备和生产也有不良影响。因此,在进行下一步氧化反应以前,必须对炉气进行净化和干燥处理。用燃烧硫黄制得的炉气除含有SO2、O2和N2外,杂质较少,不需要经过净化和干燥处理。
b.
二氧化硫接触氧化制三氧化硫
经过净化、干燥的炉气(其成分体积分数分别约为:SO27%,O211%,N282%)进入接触室,发生氧化反应,生成SO3。由于此反应是放热反应,随着反应的进行,反应环境的温度会不断升高,这不利于SO3的生成。因而与合成氨一样,接触法制取SO3时,也应在接触室的两层催化剂之间装上一个热交换器,用来把反应生成的热,传递给进入接触室需要预热的炉气,还可以冷却反应后生成的气体。
对二氧化硫的接触氧化的适宜条件的讨论
温度:操作温度400℃~500℃
对温度的控制的原理与合成氨工业相近。反应在温度较低的条件下进行最为有利,但温度较低时催化剂活性不高,反应速率低。在400℃~500℃范围内,反应速率和SO2的平衡转化率(93.5%~99.2%)都比较理想。
压强:常压 (注意与合成氨工业不同!)
常压下400℃~500℃时,SO2的平衡转化率已经很高,考虑到加压必须增加设备,增大投资和能量消耗,所以硫酸工厂通常采用常压进行操作,并不加压。
催化剂:用V2O5等作催化剂
c. 三氧化硫的吸收
从接触室出来的气体,主要是SO3、N2以及剩余的未起反应的O2和SO2。SO3与H2O化合就生成了H2SO4。
H2SO4虽然是由SO3跟H2O化合制得的,但工业上并不直接用H2O或稀硫酸来吸收SO3。因为那样容易形成酸雾,不利于对SO3的吸收。为了尽可能提高吸收效率,工业上用H2SO4质量分数为98.3%的硫酸作吸收。
从吸收塔上部导出的是N2、没有起反应的O2和少量SO2,为防止环境污染,应将上述气体再次通入接触室,进行第二次氧化,然后再进行一次吸收,{zh1}再将这种尾气加以净化回收处理,既可xxSO2对大气的污染,又可充分利用原料。
d. 硫酸工业的“三废”处理
硫酸工业的尾气常用氨水吸收,然后再用硫酸将得到的(NH4)2SO3或NH4HSO3转化为(NH4)2SO4,并重新放出SO2。用氨水吸收尾气既防止了二氧化硫污染空气,又使得二氧化硫被充分的回收利用,而硫酸铵可作为化学肥料。
反应方程式:SO2+2NH3+H2O==(NH4)2SO3
硫酸工业中的污水含有硫酸的杂质,可用熟石灰将其中和。而沸腾炉中的黄铁矿废渣可作为制作水泥的原料或制砖。含铁品位高的矿渣经处理后可以炼铁。
③氯碱工业
氯碱工业是由电解食盐水溶液制取烧碱、氯气和氢气的工业生产,是重要的基础化学工业之一。
反应原理: 2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑
a.
氯碱工业的主要原料是饱和食盐水,但由于粗盐水中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-等杂质,这鞋杂质在碱性条件下会生成沉淀,阻碍电解时的离子交换,因而粗盐水远不能达到电解要求,必须经过提纯精制。
精制食盐水最常用的方法为沉淀法,如除去粗盐水中的SO42-离子时,可先加入过量的BaCl2溶液,然后用Na2CO3溶液除去过量Ba2+。使用Na2CO3溶液还可以除去Ca2+离子。而Mg2+、Fe3+等离子可用NaOH溶液除去。
b 电解饱和食盐水
我国的氯碱工业生产主要采用两种生产工艺——隔膜法和离子交换膜法。
隔膜法和离子交换膜法都是氯碱工业的电解设备,其中所用的膜有本质区别。前者是有条件地阻止阴、阳极电解产物相混合的多孔石棉隔膜。后者由阳离子交换树脂(几类氟碳树脂)组成,树脂的高分子骨架上接有能电离出H+而可与Na+等阳离子交换的离子交换基团—SO3H、—COOH,所以是一类厚度虽仅0.1~0.5
mm,但一般只允许溶液中的阳离子在膜中通过,更不能自由通过气体或液体的阳离子交换膜。
在直流电场中的阳离子交换膜,只能让阳离子通过、迁移进入阴极室,而不容阴极室里的阴离子透过、迁移进入阳极室。这种选择性的透过作用,使精制饱和食盐水在阳极室中经循环电解,通过Cl
的阳极氧化和Na+的迁移入阴极室而变为淡盐水;使淡碱液或纯水在阴极室中经循环电解,通过H2O(H+)的阴极还原,积累OH
和Na+而变为纯烧碱浓溶液。电解槽的极间距变短,两极间的溶液电阻就减小,可相应降低电解电压而节省电能。
传统的隔膜法使用的石棉隔膜,并无离子膜所有阻止OH
向阳极迁移的功能。当稍微提高阴极碱液的浓度时,将明显增大OH-向阳极的迁移量,必将造成Cl2和OH
的反应而相应降低该电解生产的电流效率。
如下图,电解槽的下部阳极区一侧通入精制的饱和食盐水,阴极区一侧通入淡碱液或纯水,阳极产生Cl2,阴极产生H2。实际操作中,将极间距减小,可降低电解电压而节省电能。循环电解时,阳极液中的Na+能在Cl
阳极氧化成Cl2的同时,透过阳离子交换膜迁移入阴极室;阴极液中的H2O在阴极还原生H2和OH ,其中OH
因受阻于阳离子交换膜而与Na+共存于阴极室,最终使阴极液成为产品纯浓液碱。
2. 材料化工
(1) 金属的冶炼
①电解法
金属活动顺序表中较为活泼的Na~Al的冶炼应采用电解法,如:
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
2Al2O3(熔融) 2Al+3O2↑
电解氧化铝制铝时,生成的O2与阳极炭棒反应生成CO、CO2,所以应不断补充阳极炭棒,同时应加入冰晶石(Na3AlF6)作为助熔剂。
②热还原法
金属活动顺序表中Zn-Cu金属的冶炼可采用热还原法,根据金属的性质选择所采用的还原剂。
a. 用H2作还原剂。用此方法得到的金属较纯,污染小,但价格较贵 Fe3O4+4H2
3Fe+4H2O(制很纯的还原性铁粉,这种铁粉具有很高的反应活性,在空中受撞击或受热时会燃烧,所以俗称“引火球”。)
b. (火法冶金)用C(焦炭、木炭)、CO作还原剂。此方法的{zd0}缺点是易混入杂质,污染大 如:
ZnO+C
c. (铝热法)Al作还原剂(铝热剂)冶炼难熔的金属
Fe2O3+8Al 2Fe+Al2O3
d. 用Na、Mg等活泼金属为还原剂冶炼Ti等现代的有色金属。
③加热法
Hg、Ag等不活泼金属的冶炼,可用加热其氧化物或锻烧其硫化物的方法。如:
④物理提取
Pt、Au在自然界中存在,其密度很大,用多次淘洗法去掉矿粒、泥沙等杂质,便可得Pt、Au单质。
(2) 硅酸盐工业
①玻璃工业
a. 原料:高岭土:Al2(Si2O5)(OH)
(氧化物形式:Al2O3•2SiO2•2H2O)、正长石:K2Al2Si6O16(氧化物形式:K2O
•Al2O3•6SiO2)、石英砂、纯碱、烧碱、石灰石、生石灰
b. 反应原理
制造玻璃的过程是复杂的物理、化学变化,主要反应是:
Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑
要注意的是反应在高温下进行,溶液中的复分解反应规律并不适用
c. 玻璃的种类与特性
玻璃中的主要成分是SiO2、硅酸盐等(Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或Na2O•CaO•6SiO2)
下面是不同玻璃的特性和用途
普通玻璃:在较低温度下易软化,如一般的窗玻璃;
有色玻璃:加入某些金属氧化物后使玻璃呈现出颜色,如Co2O3使玻璃呈蓝色,Cu2O使玻璃呈红色;
石英玻璃:不易膨胀,耐酸碱,强度大,滤光,是一般的耐高温玻璃化学仪器的材料,也可做高压水银灯、紫外灯的灯壳;
光学玻璃:透光性能好,有折光和色散性,用于制作精密的光学仪器;
玻璃纤维:耐腐蚀,不怕烧,不导电,不吸水,隔热,吸声,可作宇航服的材料
钢化玻璃:耐高温,耐腐蚀,强度大,质地轻,可用作车窗防弹玻璃和微波通信器材等
扩展——常见的玻璃仪器
容器类:试管、烧杯、烧瓶(圆底烧瓶、平底烧瓶、蒸馏烧瓶)、锥形瓶、集气瓶、试剂瓶(细口瓶、广口瓶)、容量瓶、干燥管(U形管)
取用仪器类:滴定管、胶头滴管、漏斗(普通漏斗、长颈漏斗、分液漏斗)、玻璃棒
其它类:酒精灯、温度计、冷凝管、干燥器、研钵和研杵、量筒
②水泥工业
a. 原料和成分:黏土、石灰石、石膏
普通水泥的主要成分是硅酸三钙(3CaO•SiO2)、硅酸二钙(2CaO•SiO2)、铝酸三钙(3CaO•Al2O3)
b. 生产过程:将黏土和石灰石研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧,再加入适量的石膏,研成细粉后便得到普通水泥。
c.
应用:将水泥、沙子和水混合后得到水泥砂浆。水泥砂浆是建筑用的黏合剂。将水泥、沙子和碎石混合后可得到混凝土。混凝土是重要的建材。
(3) 高分子合成材料
①化学纤维
a. 生产过程
xx纤维:棉麻(植物纤维──糖)和丝毛(动物纤维──蛋白质),直接取自自然界。
人造纤维:用不能纺纱的纤维素(棉短绒、木材、麦秸、稻草、野生植物等)溶于特定溶剂中,压挤入某种介质中固化而成丝。
合成纤维:以石油化工的三烯一炔(乙烯、丙烯、丁二烯、乙炔)、苯系物质、苯酚、甲醛、乙二醇等为主要原料,先合成高聚物,再纺成丝
b. 常见的合成纤维
分子中有—O-CO-基团,故名聚酯纤维,俗名涤纶(的确良)
分子中有酰胺(肽)键,故名聚酰胺纤维,俗名尼龙(锦纶)
②合成橡胶
a.常见的合成橡胶
顺丁橡胶(顺式丁二烯橡胶):
氯丁橡胶:
丁苯橡胶:
b. 具有特殊性能的橡胶
③塑料
常见的塑料
聚乙烯(PE):
聚丙烯(PP):
酚醛树脂(电木):