Question

16．銨鹽是重要的化工原料，以N₂和H₂為原料制取硝酸銨的流裎閣如下，請回答下列問題：

（1）在上述流程閣中，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{\;Rt-Rh\;}}{△}$4NO+6H₂O．
（2）在上述工業(yè)生產(chǎn)中，N₂與H₂合成NH₃的傕化劑是鐵砂網(wǎng)，1909年化學(xué)家哈伯在實驗室首次合成了氨，2007年化學(xué)家格哈德．埃特爾在哈伯研究所證實了氫氣與氮氣在固體催化劑表面合成氨的反應(yīng)過程，示 意圖如下：
、、分別表示N₂、H₂、NH₃圖⑤表示生成的NH₃離開催化劑表面，圖②和圖③的含義分別 是N₂、H₂被吸附在催化劑表面、在催化劑表面N₂、H₂中的化學(xué)鍵斷裂
（3）NH₃和C0₂在一定條件下可合成尿素，其反應(yīng)為：2NH₃（g）+CO₂（g）?C0（NH₂）₂（s）+H₂0（g）
如圖表示合成塔中氨碳比a與C0₂轉(zhuǎn)化率ω的關(guān)系a為$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$，b 為水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$則：
①b應(yīng)控制在C
A．1.5～1.6 B.1〜1.1 C.0.6〜0.7
②a應(yīng)控制在4.0的理由是氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）大于4.0時，增大氨氣的物質(zhì)的量，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增加不大，增加了生產(chǎn)成本；氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）小于4.0時，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率較小
（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使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸
（5）生產(chǎn)硝酸的過程中常會產(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+12H₂0 （NO也有類似的反應(yīng)）
以上兩種方法中，符合綠色化學(xué)的是氨氣還原法
（6）某化肥廠用NH₃制備NH₄NO₃已知：由NH₃制NO的產(chǎn)率是96%、NO制HN0₃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53.1%．

Answer 1

分析 氮氣、氫氣在合成塔中合成氨氣，氨氣在氧化爐中氧化為NO，NO、氧氣、水吸收塔中合成硝酸，硝酸與氨氣合成硝酸銨．
（1）B中發(fā)生氨氣的催化氧化生成NO，設(shè)備為氧化爐；
（2）在上述工業(yè)生產(chǎn)中，N₂與H₂合成NH₃的傕化劑是鐵砂網(wǎng)；
氮氣、氫氣在催化劑表面合成氨反應(yīng)過程的順序為：圖①氮氣分子和氫氣分子向催化劑表面靠近，圖②氮氣和氫氣吸附在催化劑的表面，圖③在催化劑的作用下分解成氫原子和氮原子，在催化劑表面N₂、H₂中的化學(xué)鍵斷裂；圖④在催化劑形成NH₃；圖⑤脫離催化劑表面；
（3）①氨碳比一定時，選擇二氧化碳轉(zhuǎn)化率最大時的碳水比；
②氨碳比a大于4.0時，增大氨氣的物質(zhì)的量，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增加不大，增加了生產(chǎn)成本，氨碳比a小于4.0時，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率較��；
（4）合成氨為放熱反應(yīng)，溫度太高不利于氨氣生成，并進行原料氣的預(yù)熱，充分利用余熱，節(jié)約能源；
在合成硝酸的吸收塔中通入空氣，使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸；
（5）根據(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)濟效益分析，綠色化學(xué)為無污染，原子利用率高的生產(chǎn)；
（6）假設(shè)硝酸銨的物質(zhì)的量為1mol，則與硝酸反應(yīng)的氨氣為1mol，根據(jù)原子守恒計算制備硝酸的氨氣，每一步損失率、利用率都以氨氣計算．

解答 解：（1）氨氣在氧化爐中被催化氧化，B設(shè)備的名稱是氧化爐；氨氣被氧化為NO和水，其反應(yīng)的方程式為：4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{\;Rt-Rh\;}}{△}$4NO+6H₂O；
故答案為：氧化爐；4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{\;Rt-Rh\;}}{△}$4NO+6H₂O；
（2）N₂與H₂合成NH₃所用的催化劑是鐵砂網(wǎng)；氮氣、氫氣在催化劑表面合成氨反應(yīng)過程的順序為：圖①氮氣分子和氫氣分子向催化劑表面靠近，圖②氮氣和氫氣吸附在催化劑的表面，圖③在催化劑的作用下分解成氫原子和氮原子，在催化劑表面N₂、H₂中的化學(xué)鍵斷裂；圖④在催化劑形成NH₃；圖⑤脫離催化劑表面；
故答案為：鐵砂網(wǎng)；N₂、H₂被吸附在催化劑表面；在催化劑表面N₂、H₂中的化學(xué)鍵斷裂；
（3）①氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）相同時，水碳比（$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$）為0.6～0.7時，二氧化碳轉(zhuǎn)化率最大，
故答案為：c；
②氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）大于4.0時，增大氨氣的物質(zhì)的量，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增加不大，增加了生產(chǎn)成本；氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）小于4.0時，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率較小，
故答案為：氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）大于4.0時，增大氨氣的物質(zhì)的量，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增加不大，增加了生產(chǎn)成本；氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）小于4.0時，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率較�。�
（4）合成氨的反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程中會放出大量的熱，用熱交換器并進行原料氣的預(yù)熱，可以充分利用余熱，節(jié)約能源，還有利于氨氣的生成；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；使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸；
（4）堿液吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O，NH₃還原法：8NH₃+6NO₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$7N₂+12H₂O，分析可知堿液吸收法消耗大量的氫氧化鈉生成的亞硝酸鹽毒，NH₃還原法產(chǎn)物無污染，得到合成氨的原料氣，故符合綠色化學(xué)的是氨氣還原法；
故答案為：氨氣還原法；
（5）假設(shè)硝酸銨的物質(zhì)的量為1mol，則與硝酸反應(yīng)的氨氣為1mol，制備的硝酸為1mol，令制備硝酸的氨氣為xmol，每一步損失率、利用率都以氨氣計算，根據(jù)原子守恒，xmol×96%×92%=1mol，解得x=$\frac{10000}{96×92}$%，故制HNO₃所用去的氨氣的質(zhì)量占總耗氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是$\frac{\frac{10000}{96×92}mol}{1mol+\frac{10000}{96×92}mol}$×100%≈53.1%，
故答案為：53.1%．

點評 本題考查化學(xué)工業(yè)制備、閱讀獲取信息的能力、化學(xué)計算等，（6）中注意利用守恒思想計算，也可以利用關(guān)系式計算，是對學(xué)生綜合能力的考查．