第七篇重要的工业产品.doc

第七篇 重要的工業產品
7.1 氮肥
a. 施肥的目的是為補充土壤中所含的礦物質(例如含磷、鉀和氮的鹽), 使土壤有均衡的養料供應植物生長, 增加農作物的收成, 以應付人口不斷增加的需要。

b. 不同種類的肥料:
肥料的種類
製造方法
優點
缺點
堆肥
由天然物質造成, 例如動物糞便、動植物的腐爛物
較少污染環境
成份難以控制
化肥
由化學方法合成, 例如硫酸銨、硝酸銨
成份較易控制
污染水源和土壤;
製造化肥時引致污染問題

c. 硫酸銨和硝酸銨是兩種有用的氮肥。氮肥中氮的質量百份比計算方法如下:
1.硫酸銨中氮的質量百份比:
硫酸銨的化學式是: (NH4)2SO4
硫酸銨的摩爾質量 = (14 + 1*4)*2 + 32 + 16*4
= 132 g mol-1
1摩爾氮肥中氮原子所佔的質量 =14*2 =28 gmol-1
氮肥中氮的質量百份比 = 28/132 *100% =21.21%

2.硝酸銨中氮的質量百份比:
硝酸銨的化學式是: NH4NO3
硝酸銨的摩爾質量 = 14 + 1*4 + 14 + 16*3
= 80 gmol-1
1摩爾氮肥中氮原子所佔的質量 =14*2 =28 gmol-1
氮肥中氮的質量百份比 = 28/80 *100% = 35%

d.生產硫酸銨肥料的步驟:
1. 原料: 氨是由哈柏法生產; 硫酸是由接觸法生產的。
2. 氨通入稀硫酸中, 或把氨水加入稀硫酸中,
NH3(g) + H2SO4(aq) → (NH4)2SO4(aq) 或
NH3(aq) + H2SO4(aq) → (NH4)2SO4(aq)
3. 結晶法(把溶液加熱, 使過量的氨和水份蒸發, 生成濃硫酸銨溶液, 然後讓溶液冷卻, 便有硫酸銨結晶析出。)
4. 過濾法
5. 烘乾

e.製氨(哈柏法)
N2(g) + 3H2(g) Á 2NH3(g)
溫度:500℃ 壓力: 200atm 催化劑: 鐵粉(Fe)
Á代表此反應是可逆反應。
1. 原料: 用分餾法從液態空氣中取得氮, 氫則可從天然氣與水蒸氣的反應製得。
2. 把氮和氫純化, 除去氣體裡的雜質(例如塵埃、二氧化碳等)
3. 把氮和氫乾燥, 除去氣體裡的水份
4. 以1:3的比例把氮和氫混合, 加壓至200大氣壓力
5. 鐵粉作為催化劑, 溫度約500℃時, 氮和氫反應產生氨。
6. 加壓和冷卻, 使氨液化並從混合氣體中分離出來。
7. 應的氣體則會與更多的氮和氫混合, 再循環反應。

f. 亞佛加德羅定律
1. 亞佛加德羅定律: 相等摩爾數的任何氣體在相同氣溫和壓力的情況下, 它們所佔的體積也是相同的。
2. 在相同的溫度和壓力下, 氣體體積的比例等於氣體的摩爾數比。
3. 在室溫和一大氣壓力下, 一摩爾的任何氣體的體積均為
24 dm3 mol-1(摩爾體積)。
氣體
摩爾質量
(g mol-1)
摩爾體積
(dm3 mol-1)
氫
2
24
氮
28
24
氨
17
24
4. 有關氣體體積和質量的計算
(i) 在鐵的催化下, 氮氣與氫氣可結合生成氨氣。試計算可與20㎝3氮氣完全反應的氫氣的體積。
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(ii)在室溫和一大氣壓力下, 把1.46g的鎂, 加入過量的氫氯酸中。試計算所生成的氫氣的體積。
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(iii) 在室溫和一大氣壓力下, 把150cm3丙烯完全燃燒。試計算燃燒時所需氧氣的體積, 和所生成二氧化碳的體積。
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g.氨的性質、測試和用途
1.氨的物理性質
i.無色
ii.比空氣輕
iii.有毒
iv.具刺激性氣味(測試氨的方法之一)
v.容易液化
vi.易溶於水, 溶解度高, 生成鹼性溶液(氨水)

2.氨的化學性質
i.使石蕊試紙變藍色氨是唯一的常見鹼性氣體)
ii.與酸反應生成銨鹽:
例如: 2NH3(g) + H2SO4(aq) → (NH4)2SO4(aq)
2NH3(g) + HNO3(aq) → NH4NO3(aq)
NH3(g) + HCl(aq) → NH4Cl(aq)

iii.與氯化氫反應生成氯化銨
NH3(g) + HCl(g) → NH4Cl(s)

iv.氨在純氧中燃燒, 產生氮氣和水
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v. 在鉑銠合金催化下, 氨與氧反應生成一氧化氮
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3.氨的測試方法
i.氨具特殊氣味, 可憑氣味辨認氨
ii.氨使石蕊試紙變藍色
iii.氨與氯化氫反應, 產生白煙

4. 氨的用途
i.製肥料
ii.用作清潔劑--抹玻璃水
氨水是鹼性的, 能分解油脂, 生成皂性物質, 使油脂更易被清洗。
iii.製造硝酸
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h.硫酸
1.製造硫酸的工業方法(接觸法)
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i. 原料: 二氧化硫--是從燃燒硫磺而得到二氧化硫:
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或從焙燒含硫礦物而得到二氧化硫:
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氧氣(空氣)

ii.把二氧化硫和空氣淨化和乾燥, 除去氣體裡的雜質(例如塵埃、二氧化碳、水份等), 避免毒害催化劑。
iii.把二氧化硫和過量的空氣混合, 通入催化反應室。
iv.氧化釩(V)作為催化劑, 溫度約450℃時, 二氧化硫和氧反應產生三氧化硫。
v.把三氧化硫通入吸收室, 被98%濃硫酸吸收, 生成發煙硫酸。(若把三氧化硫直接與水反應, 由於反應太劇烈, 會產生酸霧, 難以收集。)
vi.將發煙硫酸加入適量的水中, 產生更多的98%濃硫酸。

2.二氧化硫的測試
i.二氧化硫具特殊刺鼻氣味, 可透過氣味辨認二氧化硫
ii.使石蕊試紙變紅色
iii.使重鉻酸鉀溶液由橙色變綠色

3.硫酸的用途
i.製肥料
ii.製造清潔劑
iii.製造油漆添加劑, 例如硫酸鋇、硫酸鈣

i.在本港設置工廠生產氨和硫酸的適當性
1. 資源是否容易得到
哈柏法製氨的原料是氮氣和氫氣, 氮氣可從液體空氣的分餾獲得, 而氫氣則需利用天然氣或石腦油與水蒸氣反應而製得。在香港, 無論是天然氣還是石腦油都須要從外地輸入。
除了空氣和水外, 接觸法製硫酸的原料是二氧化硫, 須從燃燒硫或焙燒含硫礦物得到, 這兩種物質香港都沒有出產, 要倚靠外地輸入。

2. 產品的需求問題
氨的用途包括製肥料、用作清潔劑(抹玻璃水)及製造硝酸。硫酸的用途包括製肥料、製造清潔劑和製造油漆添加劑等。香港不是農產地區, 也不是高度工業化的城巿, 因此對氨和硫酸的需求不大。

3. 對環境的衝擊
化工廠會產生大量的化學廢料, 造成環境污染。這些工廠應設置在遠離居且附近有廢料處理設施的地點。但是, 香港地少人多, 寸金尺土, 不適宜設置需要大片土地的化工廠。

7.2 漂白劑
A. 漂白劑是一種用於洗衣的重要家用化學藥品。常用的漂白劑可分為兩類:
1.氯漂白劑
2.非氯漂白劑(二氧化硫或亞硫酸根離子是另一種重要的工業漂白劑)

B. 氯漂白劑的製備
原料: 1.氯氣
2.鹼(氫氧化鈉溶液)
反應: 把氯氣溶於鹼性溶液中
Cl2(g) + 2NaOH(aq) → NaCl(aq) + NaOCl(aq) + H2O(l)
Cl2(g) + 2OH-(aq) → Cl-(aq) + OCl-(aq) + H2O(l)

氯漂白劑的有效成份: 次氯酸鈉(NaOCl(aq)) 或 次氯酸根離子(OCl-(aq))是強氧化劑, 具有良好的漂白和殺菌功效

C.氯的製造
i.電解飽和鹽水

在電解過程中, 氫離子和氯離子不斷被消耗, 氫氧根離子和鈉離子卻在溶液中積聚, 因此, 電解池中的溶液會逐漸變為氫氧化鈉水溶液。
電解產生的氯氣與電解池中生成的氫氧化鈉水溶液反應, 便可製得氯漂白水。

陽極
陰極
陽極反應
陰極反應
實驗室
裝置
石墨
石墨
2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-
2H+(aq) + 2e- → H2(g)
汞電解池
石墨
汞
2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-

Na+(aq) + e- + Hg(l) → Na/Hg(l)

2Na/Hg(l) + 2H2O → H2 + 2NaOH + Hg(l)
天廚味精化工廠
鈦合金
鋼
2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-
2H+(aq) + 2e- → H2(g)

ii.將氯漂白劑酸化產生氯
Cl-(aq) + OCl-(aq) + 2H+(aq) → Cl2(g) + H2O(l)

D.氯的性質
i.氯氣的物理性質
1.黃綠色氣體
2.有毒, 破壞人體呼吸系統
3.酸性, 使濕潤的石蕊試紙變紅色, 然後變白
4.具特殊氣味(辨認氯氣的方法之一)
5.比空氣重(2.5倍)
6.可溶於水, 產生氯水
7.在有機溶劑中溶解度較大(e.g. 1,1,1-三氯乙烷, 己烷)

ii.氯氣的化學性質
氯氣是強氧化劑, 因此氯氣的腐蝕性頗高。
1.氯氣與金屬反應
反應速率隨金屬活潑序遞減:
2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)
Cu(s) + Cl2(g) → CuCl2(s)
2.氯氣與非金屬反應
P4(s) + 6Cl2(g) → 4PCl3(l)
P4(s) + 10Cl2(g) → 4PCl5(s)
H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)

3.氯氣與還原劑反應
2Fe2+(aq) + Cl2(g) → 2Fe3+(aq) + 2Cl-(aq)

iii.氯水的化學性質
氯氣溶於水中形成黃綠色的水溶液, 稱為氯水。氯水內含有氯、氫氯酸和次氯酸(或氯、氫離子、氯離子和次氯酸根離子)。因此, 氯水的氧化性比氯氣更強: Cl2(g) + H2O(l) → HCl(aq) + HOCl(aq)
1.氯水與溴化鉀溶液(碘化鉀溶液)反應:
Cl2(g) + 2Br-(aq) → 2Cl-(aq) + Br2(aq)
Cl2(g) + 2I-(aq) → 2Cl-(aq) + I2(aq)
2.氯水與有色物質反應(漂白作用)
氯水(或氯漂白水)的漂白作用是由於次氯酸根離子的氧化作用:
OCl-(aq) + 有色染料 → Cl-(aq) + (染料+O)
無色化合物
E.氯的用途
1.漂白作用
2.消毒食水
3.消毒泳池水
4.製造氫氯酸
5.製造有機溶劑, 例如: 三氯甲烷, 1,1,1-三氯乙烷

F.二氧化硫的性質
i.二氧化硫的物理性質
1.無色
2.具特殊刺激性氣味(辨認二氧化硫的方法之一)
3.有毒
4.易溶於水
5.比空氣重
6.容易液化
7.酸性氣體, 使濕潤的石蕊變紅色

ii.二氧化硫的還原性質(漂白作用)
二氧化硫溶於水時, 生成亞硫酸:
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亞硫酸根離子具還原性, 可被氧化為硫酸根離子, 同時把有色的物質還原為無色的化合物。 ______________________________________________________________
1.二氧化硫(或亞硫酸根離子)與溴水反應:
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2.二氧化硫(或亞硫酸根離子)與酸化高錳酸鉀溶液反應:
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3.二氧化硫(或亞硫酸根離子)與酸化重鉻酸鉀溶液反應:
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4.二氧化硫(或亞硫酸根離子)把有色物質漂白的作用:
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G.二氧化硫的用途
1.作為漂白劑
2.生產硫酸(接觸法)
3.作為防腐劑(葡萄酒、果汁、果醬、一些生果)
4.消毒劑

H.比較二氧化硫和氯漂白劑

二氧化硫
(亞硫酸根離子)

次氯酸根離子
漂白物質的反應
還原作用

漂白過程
較為緩慢和溫和

漂白效果
效果不是永久性, 物料會逐漸回復原來顏色

應用例子
較脆弱物質: 羊毛、絲、稻草、紙張、
麵粉、芝士
較強韌物質: 棉、麻

I.本港設置工廠生產氯漂白劑的適當性
1. 資源是否容易得到
製造氯漂白劑的基本工序是電解濃鹽水, 因此原料就是食鹽和電力。香港雖然近海, 但沒有生產商製造食鹽, 須從外地輸入; 而電力供應則充足。

2. 產品的需求問題
電解濃鹽水可製得多種有用途的產品, 包括: 氯氣、氫氧化鈉、氯化氫氣體和氫氯酸等, 產品除本銷外, 還可供應東南亞市場。
因此香港確有這類工廠存在, 例如天廚味精化工廠。

3. 對環境的衝擊
上述各種產品大多有毒, 且腐蝕性高, 若不慎洩漏, 會對環境造成嚴重衝擊。

生產非氯漂白劑的適當性與製造硫酸情況相同。
化學基本法 63