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，請回答下列問題：

（1）在上述流程圖中，B設備的名稱是氧化爐，其中發(fā)生反應的化學方程式為4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO+6H₂O．
（2）在上述工業(yè)生產中，N₂與H₂合成NH₃的催化劑是鐵砂網（或鐵）．1909年化學家哈伯在實驗室首次合成了氨，2007年化學家格哈德•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中化學鍵斷裂．
（3）NH₃和CO₂在一定條件下可合成尿素，其反應為：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（ NH₂）₂（s）+H₂O（g）
圖⑥表示合成塔中氨碳比a與CO₂轉化率ω的關系．a為[n（NH₃）：n（CO₂）]，b為水碳比[n（H₂O）：n（CO₂）]．則：
①b應控制在C；
A.1.5.1.6         B.1～1.1        C.0.6～0.7
②a應控制在4.0的理由是a等于4.0，CO₂轉化率迅速提高到最大值；而a在4.0之后增大，CO₂轉化率無明顯增大．
（4）在合成氨的設備（合成塔）中，設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，全部轉化成HNO₃．
（5）生產硝酸的過程中常會產生一些氮的氧化物，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）
以上兩種方法中，符合綠色化學的是NH₃還原法．
（6）某化肥廠用NH₃制備NH₄NO₃．已知：由NH₃制NO的產率是96%、NO制HNO₃的產率是92%，則制HNO₃所用去的NH₃的質量占總耗NH₃質量（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轉化率ω越大；
②a控制在4.0時，CO₂轉化率ω已經達到較高的值，而繼續(xù)提高氨碳比[n（NH₃）：n（CO₂）]，CO₂轉化率ω無明顯提高；
（4）合成氨的反應屬于放熱反應，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生成硝酸和NO，NO能被氧氣氧化為二氧化氮；
（5）據反應化學方程式反應物和生成物的性質和經濟效益分析，綠色化學為無污染，原子利用率高的生產；
（6）根據NH₃制NO的產率是96%、NO制HNO₃的產率是92%，利用氮原子守恒來計算硝酸的量，再由HNO₃跟NH₃反應生成NH₄NO₃來計算氨氣的量，最后計算制HNO₃所用去的NH₃的質量占總耗NH₃質量的百分數(shù)．

解答 解：（1）在上述工業(yè)制硝酸的生產中，B設備是進行氨的催化氧化反應，在氧化爐中進行；發(fā)生反應的方程式為：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)生產中，N₂與H₂合成NH₃的催化劑是鐵砂網氮；氮氣氣、氫氣在催化劑表面合成氨反應過程的順序為：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；N₂、H₂被吸附在催化劑表面；在催化劑表面，N₂、H₂中化學鍵斷裂；
（3）①由圖可知，水碳比[n（H₂O）：n（CO₂）]b的值越小，則CO₂轉化率ω越大，故b應控制在0.6～0.7，故選C；
②a控制在4.0時，CO₂轉化率ω已經達到較高的值，而繼續(xù)提高氨碳比[n（NH₃）：n（CO₂）]，CO₂轉化率ω無明顯提高，故控制在4.0，故答案為：a等于4.0，CO₂轉化率迅速提高到最大值；而a在4.0之后增大，CO₂轉化率無明顯增大；
（4）合成氨的反應屬于放熱反應，反應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生成硝酸，這樣使NO循環(huán)利用，全部轉化為硝酸；
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\;}}{△}$7N₂+12H₂O，分析可知堿液吸收法消耗大量的氫氧化鈉生成的亞硝酸鹽毒，NH₃還原法產物無污染，得到合成氨的原料氣，故符合綠色化學的是氨氣還原法，故答案為：NH₃還原法；
（6）根據氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，
則1mol氨氣可得到硝酸的物質的量為：1mol×96%×92%=0.8832mol，
根據HNO₃+NH₃═NH₄NO₃可知反應消耗的氨氣的物質的量為：0.8832mol，
氨氣的質量之比等于物質的量之比，
則制HNO₃所用去的NH₃的質量占總耗NH₃質量的百分數(shù)為：$\frac{1mol}{1mol+0.8832mol}$×100%≈53.1%，
故答案為：53.1．

點評 本題以硝酸的工業(yè)制備為背景，綜合考查對化學反應中化學鍵變化、轉化率計算等考點以及對圖形的觀察能力、推理能力，題目難度中等，注意掌握工業(yè)制取硝酸的反應原理．