Question

某化肥廠生產(chǎn)硝酸銨過程如下：原料氣

①

 

②

硝酸

③

硝酸銨
其中反應②為：4NO+3O₂+2H₂O═4HNO₃，原料氣為氨氣和空氣的混合物，假設空氣中氧氣的體積分數(shù)為0.2．
（1）寫出反應①的化學方程式

 

．
（2）若不考慮副反應且各步反應均完全，為使生產(chǎn)過程中不再補充空氣，則原料氣中制備硝酸的氨氣（包含第③步被硝酸吸收的氨氣）的體積分數(shù)最大值為

 

．
（3）若實際生產(chǎn)中，反應①、②中含氮物質(zhì)的利用率分別為a、b，反應③中氨的利用率為c、硝酸的利用率為100%，則生產(chǎn)硝酸的氨氣占所用氨氣總量的體積分數(shù)為多少？在合成硝酸銨的全流程中，氨氣的總利用率為多少？（請寫出該小題的計算過程）

Answer 1

考點：化學方程式的有關計算,工業(yè)制取硝酸

專題：計算題,元素及其化合物

分析：（1）反應①為氨氣催化氧化生成NO與水；
（2）整個過程包括這樣幾步反應：4NH₃+5O₂

催化劑 .

△

4NO+6H₂O①、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃ ②、NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ③，將①+②+③×4可得：2NH₃+2O₂=NH₄NO₃ +H₂O，由總方程式可得n（NH₃）：n（O₂）=1：1，結合氧氣的體積分數(shù)計算；
（3）制備的硝酸與剩余的氨氣反應生成硝酸銨，二者物質(zhì)的量之比為1：1，令氨氣總量為1mol，設生產(chǎn)硝酸的氨氣占所用氨氣總量的體積分數(shù)為x，則生成硝酸銨的氨氣的物質(zhì)的量為（1-x）mol，根據(jù)氮元素守恒計算生成硝酸的物質(zhì)的量，據(jù)此列方程計算．
根據(jù)氮原子守恒和含氮物質(zhì)的利用率進行解答，再結合氨氣和硝酸反應之間的關系式進行解答即可．

解答： 解：（1）反應①為氨氣催化氧化生成NO與水，方程式為：4NH₃+5O₂

催化劑 .

△

4NO+6H₂O，
故答案為：4NH₃+5O₂

催化劑 .

△

4NO+6H₂O；
（2）整個過程包括這樣幾步反應：4NH₃+5O₂

催化劑 .

△

4NO+6H₂O①、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃ ②、NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ③，將①+②+③×4可得：2NH₃+2O₂=NH₄NO₃ +H₂O，由總方程式可得n（NH₃）：n（O₂）=1：1，空氣中氧氣的體積分數(shù)為0.2，推知V（NH₃）：V（空氣）=1：5，則原料氣中氨（包括第③步被硝酸吸收的氨）的體積分數(shù)最大值為

1

1+5

=

1

6

，
故答案為：

1

6

；    
（3）令氨氣總量為1mol，設生產(chǎn)硝酸的氨氣占所用氨氣的物質(zhì)的量為x，則生成硝酸銨的氨氣的物質(zhì)的量為（1-x）mol，反應①、②中含氮物質(zhì)的利用率分別為a、b，反應③中氨的利用率為c，硝酸的利用率為100%，則根據(jù)氮元素守恒NH₃～NO～NHNO₃，故可得硝酸的物質(zhì)的量為abx mol，制備的硝酸與剩余的氨氣反應生成硝酸銨，二者物質(zhì)的量之比為1：1，則abx mol=（1-x）cmol，解得x=

c

ab+c

，
假設消耗NH₃的總物質(zhì)的量為1mol，其中用于制取HNO₃的NH₃的物質(zhì)的量為ymol，被HNO₃吸收的NH₃的物質(zhì)的量為zol，反應①、②中生成的硝酸為abymol，NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ，aby=cz，則：y+z=1、aby=cz，解得：y=

c

ab+c

，z=

ab

ab+c

，氨的總利用率=

yab+cz

1

=

2abc

ab+c

，
答：生產(chǎn)硝酸的氨氣占所用氨氣總量的體積分數(shù)為

c

ab+c

；氨氣的總利用率為

2abc

ab+c

．

點評：本題考查了根據(jù)方程式進行計算，明確物質(zhì)之間的反應及物質(zhì)的利用率來分析解答，注意結合原子守恒解答，難度中等．