Question

氮氣是制備含氮化合物的一種重要物質，而氮的化合物用途廣泛．
（1）下面是利用氮氣的一種途徑：

①工業(yè)上過程Ⅱ的常見化學方程式是

 

；
②在堿性溶液中通過電解法可以實現由N₂制取NH₃：2N₂+6H₂O

電解  .

4NH₃+3O₂，陰極的電極反應式是

 

．
（2）在25℃下將2a mol?L^-1的氨水與0.02mol?L^-1的鹽酸等體積混合，反應后若溶液顯中性，則NH₃?H₂O的電離常數K_b=

 

．（用含a的代數式表示）
（3）我國化學工程專家侯德榜（1890-1974）于1943年創(chuàng)立的侯氏制堿法，是將氨堿法和合成氨法兩種工藝聯合起來，同時生產純堿和氯化銨兩種產品的方法．其生產流程可簡要表示如圖：

①在沉淀池加入飽和食鹽水，應先通入的氣體是

 

；
②沉淀池中反應的化學方程式為

 

；
（4）實驗室模擬侯氏原理制備純堿的主要步驟包括：將配制好的飽和NaCl溶液倒人燒杯中，加熱到一定溫度范圍，攪拌下分批加入研細的NH₄HCO₃固體；加料完畢后，繼續(xù)保溫30min，箭置，過濾得NaHCO₃晶體，洗滌晶體，干燥后，轉入坩堝中，灼燒2小時，制得Na₂CO₃晶體．請參考表中的數據填空．
                四種鹽在不同溫度下的溶解度表（g/100g水）

	0℃	10℃	20℃	30℃	40℃	50℃
NaCl	35.7	35.8	36.0	36.3	36.6	37.0
NH4HCO2	11.9	15.8	21.0	27.0	-*	-
NaHCO3	6.9	8.1	9.6	11.1	12.7	14.5
NH4Cl	29.4	33.3	37.2	41.4	45.8	50.4

①實驗中只析出NaHCO₃晶體的原因是

 

．
②操作過程中反應溫度應控制在30℃＜t＜

 

．
③過濾后得到母液中含有的離子有

 

，向其中加入適量鹽酸，并做進一步處理，使NaCl循環(huán)利用，同時回收NH₄Cl．

Answer 1

考點：純堿工業(yè)（侯氏制堿法）

專題：元素及其化合物,化學應用

分析：（1）①氮的固定是將空氣中游離態(tài)的氮轉化為含氮化合物的過程；
②根據電解時陰極物質得到電子，化合價升高，發(fā)生還原反應，陽極物質失去電子發(fā)生氧化反應；
（2）依據溶液中存在的電荷守恒判斷溶液酸堿性；根據溶液的電荷守恒判斷，結合NH₃?H₂O的電離常數K_b=

c(NH4+)?c(OH-)

c(NH3?H2O)

計算．
（3）①氨氣極易溶于水，二氧化碳在水中的溶解度較��；
②飽和食鹽水中通入氨氣和二氧化碳析出碳酸氫鈉晶體；根據過濾的原理和適用范圍回答；
析出碳酸氫鈉后的溶液為碳酸氫鈉的飽和溶液，所以母液中有未反應完的氯化鈉和碳酸氫氨，及生成的氯化銨和沒有析出的碳酸氫鈉；
（4）①根據同溫下各物質的溶解度大小來回答；
②碳酸氫銨與碳酸氫鈉的溶解度在30℃時相差較大，若溫度過低，則反應速率較慢，高于35℃時NH₄HCO₃開始分解；
③根據所得的母液主要成分來確定其中含有的離子．

解答： 解：（1）①氮的固定是將空氣中游離態(tài)的氮轉化為含氮化合物的過程，過程Ⅱ的化學方程式為：N₂+O₂

放電  .

2NO，故答案為：N₂+O₂

放電  .

2NO；
②陰極N₂得到電子，化合價升高，發(fā)生還原反應，陽極OH^-失去電子發(fā)生氧化反應，陰極反應：N₂+6e^-+6H₂O=2 NH₃+6OH^-，故答案為：N₂+6e^-+6H₂O=2 NH₃+6OH^-；
（2）反應后溶液中存在電荷守恒：c（NH₄⁺）+c（H⁺）=c（Cl^-）+c（OH^-），因為c（NH₄⁺）=c（Cl^-），所以c（H⁺）=c（OH^-），溶液呈中性；由溶液的電荷守恒可得：c（H⁺）+c（NH₄⁺）=c（Cl^-）+c（OH^-），已知c（NH₄⁺）=c（Cl^-），則有c（H⁺）=c（OH^-），所以溶液顯中性；平衡時溶液中c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.01mol/L，根據物料守恒得n（NH₃．H₂O）=（a-0.01）mol/L，根據電荷守恒得c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7mol/L，電離常數只與溫度有關，則此時NH₃?H₂O的電離常數K_b=

c(NH4+)?c(OH-)

c(NH3?H2O)

=

1×10-7mol/L

(a-0.01)mol/L

=

10-7

a-0.01

，故答案為：

10-7

a-0.01

；
（3）①二氧化碳在水中的溶解度較小，氨氣極易溶于水，所以應該先通氨氣有利于吸收二氧化碳，
故答案為：NH₃；
②氨氣、二氧化碳、水和氯化鈉發(fā)生反應生成碳酸氫鈉和氯化銨，反應方程式為NH₃+H₂O+CO₂+NaCl═NH₄Cl+NaHCO₃↓，故答案為：NH₃+CO₂+NaCl+H₂O═NaHCO₃↓+NH₄Cl；
（4）①根據表中數據知道：在相同的溫度下，碳酸氫鈉的溶解度較小，所以實驗中只析出NaHCO₃晶體，故答案為：在相同的溫度下，碳酸氫鈉的溶解度較��；
②碳酸氫銨與碳酸氫鈉的溶解度在30℃時相差較大，有利于碳酸氫鈉析出，若溫度過低，則反應速率較慢，高于35℃時NH₄HCO₃開始分解，故反應溫度控制在30～35℃之間為宜；故答案為：35℃；
③過濾除去析出的碳酸氫鈉，溶液中還有部分碳酸氫鈉未析出，是碳酸氫鈉的飽和溶液，還有溶解在溶液中未析出的NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃，所得的母液主要成分為NaHCO₃、NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃，Na⁺、Cl^-、HCO₃^-、NH₄⁺．
故答案為：Na⁺、Cl^-、HCO₃^-、NH₄⁺．

點評：本題考查了聯堿法和氨堿法生產流程的原理比較和物質分析判斷，明確碳酸鈉、碳酸氫鈉、氨氣、二氧化碳的性質，掌握工藝流程和反應原理是解題關鍵，題目難度中等．