Question

15．工業(yè)上用NH₃制取HNO₃的工藝流程如圖所示：

請回答下列問題：
（1）上述流程中循環(huán)使用的物質(zhì)是NO．
（2）尾氣中含有NO、NO₂（物質(zhì)的量之比為1：1）可用Ca（OH）₂吸收以獲取亞硝酸鈣，其反應(yīng)的化學(xué)方程式是NO+NO₂+Ca（OH）₂=Ca（NO₃）₂+H₂O．
（3）下列可以代替Ca（NO₃）₂加入到蒸餾塔中的物質(zhì)可能是AB．
A．Mg（NO₃）₂        B．濃H₂SO₄       C．CaC1₂     D．Fe（NO₃）₂
（4）以偏二甲肼（C₂N₂H₈）、NO₂為原料的酸性燃料電池（兩極產(chǎn)物均為N₂），正極反應(yīng)式是2NO₂+8e^-+8H⁺=N₂+4H₂O．
（5）己知：4NH₃（g）+5O₂（g）=4NO（g）+6H₂O（l）△H₁=a kJ/mol
2NO（g）+O₂（g）=2NO₂（g）△H₂=b kJ/mol
NH₃（g）+2O₂（g）=HNO₃（D+H₂O（1）△H₃=ckJ/mol
則NO₂（g）在吸收塔中反應(yīng)生成HNO₃（l）的熱化學(xué)方程式是
（6）用NH₃制NH₄NO₃．
①制HNO₃：假設(shè)氧化爐中NH₃的氧轉(zhuǎn)化率為a，轉(zhuǎn)化室中NO轉(zhuǎn)化率為b，吸收塔中NO₂吸收率為c；
②制NH₄NO₃：用生成的HNO₃與NH₃反應(yīng)制NH₄NO₃，其利用率為d．
則用NH₃制NH₄NO₃的整個過程中，NH₃的總轉(zhuǎn)化率是$\frac{2abcd}{1+abc}$．

Answer 1

分析 用NH₃制取HNO₃的工藝流程：氨氣在氧化爐中，催化氧化反應(yīng)生成一氧化氮和水，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O；在轉(zhuǎn)化室中：NO與O₂反應(yīng)生成紅棕色的二氧化氮氣體，2NO+O₂=2NO₂；吸收塔內(nèi)：3NO₂+H₂O═2HNO₃+NO，NO循環(huán)至轉(zhuǎn)化室內(nèi)，加入硝酸鈣除水，蒸餾得到濃硝酸．
（1）根據(jù)生產(chǎn)流程圖中的物質(zhì)，找出反應(yīng)物與生成物，然后分析生成物中的物質(zhì)被用作反應(yīng)物的即為可循環(huán)利用的物質(zhì)；
（2）發(fā)生反應(yīng)為歸中反應(yīng)，根據(jù)N元素的化合價可知應(yīng)生成Ca（NO₂）₂，據(jù)此書寫方程式；
（3）根據(jù)Ca（NO₃）₂在蒸餾塔中的作用分析，Ca（NO₃）₂起吸水濃縮硝酸的作用；
（4）原電池正極發(fā)生還原反應(yīng)，二氧化氮得到電子生成氮氣；
（5）4NH₃（g）+5O₂（g）=4NO（g）+6H₂O（l）△H₁=a kJ/mol①
2NO（g）+O₂（g）=2NO₂（g）△H₂=b kJ/mol②
NH₃（g）+2O₂（g）=HNO₃（D+H₂O（1）△H₃=ckJ/mol③
根據(jù)蓋斯定律，③×2-$\frac{①}{2}$-$\frac{3}{2}$×②得到目標(biāo)方程式，反應(yīng)熱與計量數(shù)成正比；
（6）利用氮原子守恒計算，NH₃的總轉(zhuǎn)化率=$\frac{轉(zhuǎn)化的氮}{參加反應(yīng)的氮}$．

解答 解：（1）吸收塔內(nèi)：3NO₂+H₂O═2HNO₃+NO，在轉(zhuǎn)化室中：NO與O₂反應(yīng)生成紅棕色的二氧化氮氣體，2NO+O₂=2NO₂；所以NO為循環(huán)使用的物質(zhì)，
故答案為：NO；
（2）尾氣中含有NO（N元素+2價）、NO₂（N元素+4）（物質(zhì)的量之比為1：1）用Ca（OH）₂吸收，發(fā)生氮元素價態(tài)歸中反應(yīng)，生成Ca（NO₂）₂（N元素+3價），所以反應(yīng)為：NO+NO₂+Ca（OH）₂=Ca（NO₂）₂+H₂O，
故答案為：NO+NO₂+Ca（OH）₂=Ca（NO₂）₂+H₂O；
（3）Ca（NO₃）₂起吸水濃縮硝酸的作用，幾乎不溶于濃硝酸，Mg（NO₃）₂、濃H₂SO₄ 幾乎不溶于濃硝酸，起吸水濃縮硝酸的作用，CaC1₂能干燥但溶于濃硝酸，F(xiàn)e（NO₃）₂不起吸水干燥作用，故選AB，
故答案為：AB；
（4）以偏二甲肼（C₂N₂H₈）、NO₂為原料的酸性燃料電池（兩極產(chǎn)物均為N₂），正極為二氧化氮得到電子生成氮氣，電極反應(yīng)方程式為：2NO₂+8e^-+8H⁺=N₂+4H₂O，
故答案為：2NO₂+8e^-+8H⁺=N₂+4H₂O；
（5）4NH₃（g）+5O₂（g）=4NO（g）+6H₂O（l）△H₁=a kJ/mol①
2NO（g）+O₂（g）=2NO₂（g）△H₂=b kJ/mol②
NH₃（g）+2O₂（g）=HNO₃（D+H₂O（1）△H₃=ckJ/mol③
根據(jù)蓋斯定律，③×2-$\frac{①}{2}$-$\frac{3}{2}$×②得到目標(biāo)方程式，3NO₂（g）+H₂O（1）=2HNO₃（aq）+NO（g）反應(yīng)熱與計量數(shù)成正比，所以△H=（2c-$\frac{a}{2}$-$\frac{3b}{2}$）kJ/mol，則NO₂（g）在吸收塔中反應(yīng)生成HNO₃（l）的熱化學(xué)方程式是3NO₂（g）+H₂O（1）=2HNO₃（aq）+NO（g）△H=（2c-$\frac{a}{2}$-$\frac{3b}{2}$）kJ/mol，
故答案為：3NO₂（g）+H₂O（1）=2HNO₃（aq）+NO（g）△H=（2c-$\frac{a}{2}$-$\frac{3b}{2}$）kJ/mol；
（6）設(shè)制硝酸的氨氣的物質(zhì)的量為1，氧化爐中NH₃的氧轉(zhuǎn)化率為a，轉(zhuǎn)化室中NO轉(zhuǎn)化率為b，吸收塔中NO₂吸收率為c；根據(jù)氮原子守恒，制得得HNO₃的物質(zhì)的量為1×abc，用生成的HNO₃與NH₃反應(yīng)制NH₄NO₃，其利用率為d．HNO₃+NH₃=NH₄NO₃，需氨氣1×abc，制得的硝酸銨為abcd，則NH₃的總轉(zhuǎn)化率是：$\frac{2abcd}{1+abc}$，
故答案為：$\frac{2abcd}{1+abc}$．

點評 本題考查了用NH₃制取HNO₃工業(yè)制備原理應(yīng)用，流程分析，利用物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及質(zhì)量守恒的方法來進行計算，明確轉(zhuǎn)化中的化學(xué)反應(yīng)得出物質(zhì)之間的關(guān)系是解答的關(guān)鍵，（6）參加反應(yīng)的氮為（1+abc）為易錯點，題目難度中等．