普通高中课程标准实验教科书 化学 选修2 化学与技术 人民数育出版社课程教材研究所编著 化学课程教材研究开发中心 人忒办“社
日录 引言 第一单元走进化学工业 课题1化工生产过程中的基本问题 249 课题2人工固氮技术—合成氨 课题3纯碱的生产 15 归纳与整理 19 练习与实践 第二单元化学与资源开发利用 22 课题1获取洁净的水 24 课题2海水的综合利用 课题3石油、煤和天然气的综合利用 归纳与整理 练习与实毁 第三单元化学与材料的发展 4 课题1无机非金属材料 课题2金属材料 57 课题3高分子化合物与材料 归纳与整理 78 练习与实践 第四单元化学与技术的发展 82 课题1化肥和农药 课题2表面活性剂精细化学品 归纳与整理 101 练习与实践 102 结束语迎接化学的黄金时代 104 元素周期表
引言 人们通过实验室研究对某一物质有了充分了解之后,在准备实现大规模生产之前,还 需要进一步研究其生产工艺的问题。前者归属于科学,后者归属于技术。技术的形成可以 有两种不同的模式。依靠偶然的发现和长期实践经验的积累而形成的技术,如远古时期的 制陶、制造玻璃和少数金属及合金材料的冶炼技术,皆属于此类。人们不自觉地应用着化 学原理和化学过程。这个时期,技术发展的推动力主要来自生产和社会生活的需要。例 如,18世纪末,蒸汽机的发明引发了棉纺织业的技术革命,对纤维与织物染整和清洗用 的廉价、高效化学药剂的需求,促进了硫酸、纯碱、含氯漂白剂、染料等生产技术的大規 模工业化。化学和生产技术的结合,成为新的生产技术的推动力。这种模式在塑料、半导 体、复合材料、建筑材料、冶金、食品加工以及能源等生产技术的发展过程中,仍然起着 重要的作用。而且在目前的专利申请项目中,这类技术依然占有一定的比例 20世纪中期以后,高新技术的飞速发展,与技术科学化程度的极大提高有密切的关系。 人们把这种技术称为以科学为基础的技术( science-based technology)。我们可以把它看成另 种模式。它的出现,一方面与科学研究的实用取向日益受到政府和企业的大力支持与鼓 励有关;另一方面,也与技术所要求的学科综合程度越来越高有关。例如,计算机芯片的 制造技术,不仅要用到物理学、微电子学、机械学、自动化技术等方面的原理和技术,其 中仅光刻工艺而言,所涉及的化学反应过程就有100多个。如果没有长期艰苦的、有系统的 科学研究成果作为基础,这类技术是难以形成的。正因为有了深厚的科学基础,芯片的更 新换代才可能如此迅速。这种模式的技术,不仅可以增加社会财富、提高公民的生活质量 推动科学的发展,而且有效地提升了科学素养在公民素质中的地位与价值。公民受教育程 度越高,其科学知识越多,开发新技术的能力越强,社会发展也越快。在科学基础上发展 起来的高新技术,又加快了基础科学的发展,两者相互促进,密不可分 在国民经济中,生产化学产品的工业,统称为化学工业。在我国,化学工业专指以煤 炭、石油、天然气、天然矿物、生物质等为原料生产有机和无机基本化工原料、合成材 料、农用化学品、精细和专用化学品的工业。 20世纪化学工业得到巨大发展,特别是20世纪后半叶,石油工业的兴起,化工产品 已无所不在,大到能源、囯防(炸药、推进剂)、交通、冶金、肥料、农药、塑料、合成 纤维、合成橡胶、信息产品(芯片、磁盘、光盘、光纤、复印材料、传感器);小到染料、 涂料及生活用品;等等。人类的社会生活离不开化工产品,化学工业也已成为国民经济发 展的支柱产业。从我国2002年国民经济和社会发展统计看,化学工业产值分别占全国年 总产值的7.4%和工业产值的16.5%。目前,世界化工产品每年的总销售额在数千亿美元 以上。我国的水泥、化肥、硫酸、纯碱、橡胶、合成树脂及精细化工中的某些重要产品产 量都居世界第一
18世纪的制硫酸装置 第一单元 世 走进化学工业 社会的不断发展和进步,要求科学和技术的应用性更强。先进的技术通过 工业生产转化为产品,以满足人们生活和生产的需要。化学工业随着科学技术 水平的不断提高而发展,成为国民经济的重要基础工业。化学工业包含的种 类很多,生产中的原料、产物及反应过程差异也很大,但其中也存在着一些共 同的规律。本单元将从几种典型的化工产品出发,来认识基本化工生产过程中 的一些问题,了解化学、披术与化工生产的关系
1化工生产过程中的基本问题 一个生产工艺的实现,涉及许多问题,如化学反应原理、原料选择、能源消耗、设备 结构、工艺流程、环境保护,以及综合经济效益,等等。下面我们以硫酸工业为例,了解 化工生产中的一些基本问题。 依据化学反应原理确定生产过程 首先,化工生产是以化学反应原理为依据,以实验室研究为基础的。任何生产的完成 都要符合化学反应规律。 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。例如,关硫酸 sulphuric acid 于工业制硫酸的反应原理及过程,可以从以下几个方面来 考虑: 从H2SO的组成看,原料应该是自然界存在的含硫的物质,如硫黄、黄铁矿(主 要成分FeSn)等; H2SO4中S的化合价为+6价,因为不能从S或FeS2直接得到H2SO4,所以,需 要经过中间步骤,先得到SO,再通过SO2与H2O反应得到H2SO4; S或FeS2与O2反应,生成物为SO,SO2可以与O2进一步反应生成SO3 所以,生产HSOA的主要化学过程可以分成SO2的生成和SO转化为SO两个阶段。 「考与交谥」 844 444 如果以硫黄为原料制硫酸,你能试着用化学方程式表 示制硫酸的反应原理吗? 目前,工业上制硫酸的基本生产原理如下: 1.以硫为原料①制备SO2 S(s)+O2(g)—SO2(g)(放热反应) 2.利用催化氧化反应将SO2氧化成SO 2SO2(g)+O2(g) 催化剂 2SO(g)(放热反应) 3.三氧化硫转化为硫酸② 图11工业制硫酸的原料—硫黄 ①旱期生产以黄铁矿为原料:4FsS8+11O2=2FeO+80,由于生产中产生的废弃物太多,处理成本高,这一 工艺正在逐步被淘汰 ②实际生产中,并不直接用12O吸收SO,面是用98%的硫酸吸收,这样可以融免形成酸雾并提高吸收率 4第一单元走进化学工业
SO2(g)+H2O(D—H2SO4(D(放热反应) 按照上述反应原理,工业上制硫酸主要分造气、催化氧化和吸收三个阶段。 98%硫酸 空气 催化反应塞 制SO)净化年400-500℃S0 吸收塔发细硫剩碳释室9%酸贮存室 常压、催化剂 图12硫酸工业流程 在生产中还应考虑许多实际问题,如原料的净化、反 应条件及设备的选择、废热的利用等 生产中原料的选择 在工业生产中,选择原料除依据化学反应原理外,还 有许多因素要考虑,如厂址选择、原料、能源、工业用水 图13硫酸厂 的供应能力、贮存、运输、预处理成本及环境保护等。 考与交流 在我国,工业制硫酸原料的选择,有以下问题需要考虑: 1.从基建投资、加工费用及环境保护等方面考虑,用硫黄制硫酸的装置优于用黄铁 矿制硫酸的装置; 2.我国的天然硫资源缺乏,而且开采条件比较复杂; 3.我国黄铁矿储量比天然硫黄要大,但也存在供不应求的趋势; 4,硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短,设备简单,三废治理量小,劳动生产率 高,易于设备大型化; 5,由于原料多需进口,硫黄制硫酸成本略高于黄铁矿制硫酸;设备大型化可降低 成本; 实际上,在早期相当一段时间内,我国主要是以黄铁矿为原料制硫酸的。你认为这是 为什么?从世界目前的状况来看,很多国家都已经限制以黄铁矿为原料制硫酸。你认为这 是为什么?今后的发晨趋势会是怎样的呢?你有什么好的建议吗? 三、生产中反应条件的控制 在实验室,化学反应是在一定条件下进行的,所用仪器设备比较简单,自动化程度不 课题1化工生产过程中的基本问题5
高。实现化工生产,环境、设备等因素都与实验室不同,需要将实验室过程进行放大,所 以,要根据实际情况来选择合适的反应条件。 在工业生产中,常常涉及到可逆反应,如硫酸工业中 将SO2氧化成SO的过程就是一个可逆反应。如果外界化学平衡 条件不发生变化,可逆反应进行到一定程度时,正反应速 chemical equilibriun 率和逆反应速率相等,反应物和生成物的浓度将不再发生 变化,反应体系处于化学平衡状态,简称化学平衡。改变反应条件(浓度、温度、压强 等)可以使化学平衡状态发生变化,原有的化学平衡被玻坏,建立新的化学平衡,这一过 程叫做平衡的移动。可逆反应中反应物转化为产物的百分率(转化率)可以通过改变反应 条件加以调控。在化工生产中还要同时考虑控制某些反应条件的成本和实际可能性,因 此,转化率的高低不是唯一要考虑的因素。 「与交」 表1-1和表1-2是二氧化硫催化氧化反应的一些实验数播,请思考和交流以下问题: 表1-1不同遇度下SO2的平衡转化率 [原料气成分(体积分数):SO7%,O211%,N82%;压强:0.1MPa 温度/℃ 1004504755005255505756006501000 化率/%90297.55.8950586797758550 表1-2压强对SO2平衡转化率的影响 (原料气成分同表11 压强/MPa 转化率/% 0.1 0.5 温度/℃ 99,2 99.6 99.7 99,9 97.8 99.3 73.7 85.8 89.5 96,4 1.从以上实验数据看,你认为SO2的催化氧化反应在什么温度和压强条件下有利于 SO的生成? 2.在实际生产中,还有以下问题值得考虑: (1)温度较低时催化剂的活性不高,反应速率低; (2)加压对设备的要求高,会增加成本和能量消耗;等等。 在考虑了以上问题以后,你刚才的想法会改变吗?现在请你为实际生产中SO2的催 化氧化反应选择一个合适的温度和压强。 在生产工艺中,选择400~500℃作为操作温度,因为在这个温度范围内,反应速率 6第一单元走进化学工业
和SO的转化率都比较理想。同时,根据表1-2的实验数据可以发现,增大气体压强, SO2的平衡转化率提高得并不多,所以硫酸厂通常采用常压操作 从以上数据和分析可以看出,改变条件可以使平衡发生移动。条件对化学平衡的影响 可以概括称为平衡移动原理,也叫勒夏特列原理①:如果改变影响平衡的一个条件(如浓 度、温度、压强等),平衡就向能减弱这种改变的方向移动。催化剂能同等程度地增加正 反应速率和逆反应速率,因此对化学平衡没有影响,但能改变到达平衡所需的时间。 固考与交 对于上述二氧化硫的催化氧化反应 1,请用平衡移动原理来解释:为什么降低温度和增大压强有利于提高转化率? 2.如果其他条件不变,分别改变下列条件,将对化学平衡有什么影响? (1)增大O2的浓度;(2)减小SO的浓度。 四、生产中三废的处理 近年来,环境保护条件提升到首先要考虑的因素,所以,预处理及生产过程中产生的 废气、废液、废渣情况及处理成本,往往成为是否采用该工艺的决定性因素。 三废(废气、废液、废渣)处理或将三废消灭于生产过程中,是近年来化工技术发展 的方向之一。除在设计工艺与选择原料时应优先考虑环境保护因素外,创造性地使废料变 为生产原料、实现废弃物的零排放应当是绿色化学技术的目标之一,化学将对这一目标的 实现提供最有力的支持,并且近年来已在某些化工生产中得以实现。 生产中的三废,一般按以下方法处理: 1.尾气吸收 二氧化硫是化学工业排放物中常见的有害物质,如硫酸生产的尾气中含有少量SO2, 可用石灰水吸收,使其生成CaSO,然后再用硫酸处理,生成SO2和CaSO4 SO,+Ca(OH)2- CaSO,+H,O CaSO2+H2SO4—CaSO4+SO2↑+HO 这样得到的SO2含量较高,可返回用作原料。 2.污水处理 不同化工生产过程产生的污水,所含有的杂质不同,除要进行一般的处理外,还要根 据杂质的性质,利用不同的化学方法进行处理。关于工业废水的处理,我们还将在后面的 单元中进行介绍 ①此原理因法国科学家勒夏特列 dI Le Chatelier,1850-1936)总结出面得名 课题1化工生产过程中的基本问题
学与间 硫酸生产过程中的污水,含有酸性杂质,可以利用什么反应来处理呢?列举出几种物 质。你认为用哪种物质比较好,为什么?调查了解在实际生产中使用的处理方法。 3.废渣的利用 化工生产中经常有一些未反应的原料或是在生产过程中产生的固体废渣,可以对固体 废渣进行综合利用。例如,用黄铁矿为原料生产硫酸的过程中,会排出一些炉渣和矿灰, 可作为炼铁的原料;还可以用来提炼贵重的有色金属;另外,这些废渣还可作为制造水泥 的原料或用于制砖。 在最终产生的三废中,往往还含有未反应的反应物,为了充分利用原料,在收集产品 时可将剩余反应物重新并入原料中,使生产过程带有局部循环的特点,这是化工生产工艺 设计中常用的方法。 五、能量的充分利用 化工生产过程中通常都要消耗大量的能量。例如,开动机器设备(矿石粉碎机、运输 装置、鼓风机、泵等)需要电能,而维持反应适宜的温度需要热能,等等;例如,一般生 产1t硫酸大约需要消耗100kW·h的电能。硫酸生产过程中的三个化学反应都是放热反 应,据测算,生产1t硫酸放出的热量相当于200kW·h的电能。如果能够充分利用这些 热量(在工厂称为“废热”),不但可以由硫酸厂自行提供能量,还可以向外界输出大量的 能量,可大大降低生产成本。为了充分利用“废热”,硫酸厂采取了很多措施,如在催化 反应室中设热交换装置,利用SO2氧化为SO时放出的热量来预热即将参加反应的SO 和O2等。 实践活动 通过壹图书、上网、参观访问等方式进行调查,了解一些化工厂是如何充分利用 废热”的。 化工生产技术是以科学实验为基础的,但二者又有许多的不同。例如,科学实验对自 然现象和規律进行探索,为了认识反应条件对反应过程的影响,可以把一个过程拆分成许 多子过程来研究,也可以采取固定其他条件,只对某个条件的影响进行探究;而化工生产 工业则要对生产原理、成本、场地、设备、劳动组织和生产效率等因素进行综合性和系统 性的研究。 8第一单元走进化学工业