Question

12．銨鹽是重要的化工原料，以N₂和H₂為原料制取硝酸銨的流程圖如下，請(qǐng)回答下列問題：

（1）在上述流程圖中，B設(shè)備的名稱是氧化爐，其中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO+6H₂O．
（2）在上述工業(yè)生產(chǎn)中，N₂與H₂合成NH₃的催化劑是鐵砂網(wǎng)（或鐵）．1909年化學(xué)家哈伯在實(shí)驗(yàn)室首次合成了氨，2007年化學(xué)家格哈德•埃特爾在哈伯研究所證實(shí)了氫氣與氮?dú)庠诠腆w催化劑表面合成氨的反應(yīng)過程，示意圖如下（①-⑤）：

分別表示N₂、H₂、NH₃．圖⑤表示生成的NH₃離開催化劑表面，圖②和圖③的含義分別是N₂、H₂被吸附在催化劑表面、在催化劑表面N₂、H₂中化學(xué)鍵斷裂．
（3）NH₃和CO₂在一定條件下可合成尿素，其反應(yīng)為：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（ NH₂）₂（s）+H₂O（g）
圖⑥表示合成塔中氨碳比a與CO₂轉(zhuǎn)化率ω的關(guān)系．a(chǎn)為[n（NH₃）：n（CO₂）]，b為水碳比[n（H₂O）：n（CO₂）]．則：
①b應(yīng)控制在C；
A.1.5.1.6         B.1～1.1        C.0.6～0.7
②a應(yīng)控制在4.0的理由是a等于4.0，CO₂轉(zhuǎn)化率迅速提高到最大值；而a在4.0之后增大，CO₂轉(zhuǎn)化率無明顯增大．
（4）在合成氨的設(shè)備（合成塔）中，設(shè)置熱交換器的目的是利用余熱，節(jié)約能源；在合成硝酸的吸收塔中通入空氣的目的是可使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化成HNO₃．
（5）生產(chǎn)硝酸的過程中常會(huì)產(chǎn)生一些氮的氧化物，可用如下兩種方法處理：
堿液吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O
NH₃還原法：8NH₃+6NO₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$ 7N₂+12H₂O（NO也有類似的反應(yīng)）
以上兩種方法中，符合綠色化學(xué)的是NH₃還原法．
（6）某化肥廠用NH₃制備NH₄NO₃．已知：由NH₃制NO的產(chǎn)率是96%、NO制HNO₃的產(chǎn)率是92%，則制HNO₃所用去的NH₃的質(zhì)量占總耗NH₃質(zhì)量（不考慮其它損耗）的54.1%．

Answer 1

分析 （1）B為氧化爐，在氧化爐中氨氣與氧氣催化氧化生成一氧化氮和水；
（2）按照氣體分子向催化劑表面靠近、被吸附、分子分解成原子、氮原子和氫原子結(jié)合生成氨氣、氨氣分子離開催化劑的順序解答；
（3）①由圖可知，水碳比[n（H₂O）：n（CO₂）]b的值越小，則CO₂轉(zhuǎn)化率ω越大；
②a控制在4.0時(shí)，CO₂轉(zhuǎn)化率ω已經(jīng)達(dá)到較高的值，而繼續(xù)提高氨碳比[n（NH₃）：n（CO₂）]，CO₂轉(zhuǎn)化率ω?zé)o明顯提高；
（4）合成氨的反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，熱交換器可以充分利用余熱，節(jié)約能源；在吸收塔中二氧化氮與水反應(yīng)生成硝酸和NO，NO能被氧氣氧化為二氧化氮；
（5）據(jù)反應(yīng)化學(xué)方程式反應(yīng)物和生成物的性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益分析，綠色化學(xué)為無污染，原子利用率高的生產(chǎn)；
（6）根據(jù)NH₃制NO的產(chǎn)率是96%、NO制HNO₃的產(chǎn)率是92%，利用氮原子守恒來計(jì)算硝酸的量，再由HNO₃跟NH₃反應(yīng)生成NH₄NO₃來計(jì)算氨氣的量，最后計(jì)算制HNO₃所用去的NH₃的質(zhì)量占總耗NH₃質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)．

解答 解：（1）在上述工業(yè)制硝酸的生產(chǎn)中，B設(shè)備是進(jìn)行氨的催化氧化反應(yīng)，在氧化爐中進(jìn)行；發(fā)生反應(yīng)的方程式為：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO+6H₂O，
故答案為：氧化爐；4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO+6H₂O；
（2）在上述工業(yè)生產(chǎn)中，N₂與H₂合成NH₃的催化劑是鐵砂網(wǎng)氮；氮?dú)鈿�、氫氣在催化劑表面合成氨反�?yīng)過程的順序?yàn)椋簣D①氮?dú)夥肿雍蜌錃夥肿酉虼呋瘎┍砻婵拷�，圖②氮?dú)夂蜌錃馕�附在催化劑的表面，圖③在催化劑的作用下分解成氫原子和氮原子，圖④表示氮原子與氫原子重新結(jié)合成氨分子，圖⑤生成的氨氣離開催化劑表面，
故答案為：鐵砂網(wǎng)；N₂、H₂被吸附在催化劑表面；在催化劑表面，N₂、H₂中化學(xué)鍵斷裂；
（3）①由圖可知，水碳比[n（H₂O）：n（CO₂）]b的值越小，則CO₂轉(zhuǎn)化率ω越大，故b應(yīng)控制在0.6～0.7，故選C；
②a控制在4.0時(shí)，CO₂轉(zhuǎn)化率ω已經(jīng)達(dá)到較高的值，而繼續(xù)提高氨碳比[n（NH₃）：n（CO₂）]，CO₂轉(zhuǎn)化率ω?zé)o明顯提高，故控制在4.0，故答案為：a等于4.0，CO₂轉(zhuǎn)化率迅速提高到最大值；而a在4.0之后增大，CO₂轉(zhuǎn)化率無明顯增大；
（4）合成氨的反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程中會(huì)放出大量的熱，用熱交換器可以充分利用余熱，節(jié)約能源；在吸收塔中二氧化氮與水反應(yīng)生成硝酸和NO，通入空氣，NO能被空氣中的氧氣氧化為二氧化氮，二氧化氮再與水反應(yīng)生成硝酸，這樣使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸；
故答案為：利用余熱，節(jié)約能源；可使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化成HNO₃；
（5）堿液吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O，NH₃還原法：8NH₃+6NO₂ $\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$7N₂+12H₂O，分析可知堿液吸收法消耗大量的氫氧化鈉生成的亞硝酸鹽毒，NH₃還原法產(chǎn)物無污染，得到合成氨的原料氣，故符合綠色化學(xué)的是氨氣還原法，故答案為：NH₃還原法；
（6）根據(jù)氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，
則1mol氨氣可得到硝酸的物質(zhì)的量為：1mol×96%×92%=0.8832mol，
根據(jù)HNO₃+NH₃═NH₄NO₃可知反應(yīng)消耗的氨氣的物質(zhì)的量為：0.8832mol，
氨氣的質(zhì)量之比等于物質(zhì)的量之比，
則制HNO₃所用去的NH₃的質(zhì)量占總耗NH₃質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)為：$\frac{1mol}{1mol+0.8832mol}$×100%≈53.1%，
故答案為：53.1．

點(diǎn)評(píng) 本題以硝酸的工業(yè)制備為背景，綜合考查對(duì)化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵變化、轉(zhuǎn)化率計(jì)算等考點(diǎn)以及對(duì)圖形的觀察能力、推理能力，題目難度中等，注意掌握工業(yè)制取硝酸的反應(yīng)原理．