Question

【題目】[化學(xué) 選修2：化學(xué)與技術(shù)]

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，請回答下列問題：

（1）在上述流程圖中，B設(shè)備的名稱是 ，其中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為 。

（2）在上述工業(yè)生產(chǎn)中，N2與H2合成NH3的催化劑是 。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 、 。

（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)

右圖表示合成塔中氨碳比a與CO2轉(zhuǎn)化率ω的關(guān)系。a為[n(NH3)/n(CO2)]，b為水碳比[n(H2O)/n(CO2)]。則：

①b應(yīng)控制在 ； 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 。

（4）在合成氨的設(shè)備（合成塔）中，設(shè)置熱交換器的目的是 ；在合成硝酸的吸收塔中通入空氣的目的是 。

（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+6NO27N2+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 。

（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 %。

Answer 1

【答案】（1）氧化爐

（2）鐵砂網(wǎng)（或鐵） 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）①C ②a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，c(NH3)轉(zhuǎn)化率無明顯增大。

（4）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）NH3還原法

（6）53

【解析】

試題分析：（1）在上述工業(yè)制硝酸的生產(chǎn)中，B設(shè)備是進行氨的催化氧化反應(yīng)，在氧化爐中進行；發(fā)生反應(yīng)的方程式為：4NH3+5O24NO+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；氮氣氣、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，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，CO2轉(zhuǎn)化率ω已經(jīng)達到較高的值，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 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：

1mol÷（1mol+0,8832mol）×100%≈53%.