Question

13．工業(yè)上以N₂、H₂為原料制取硝酸銨的流程如圖所示．

回答下列問題：
（1）氨合成塔適宜的壓強是20～50MPa，如果壓強過大，除對設備要求高外，還會導致的結果是壓碎催化劑，縮短催化劑壽命．
（2）合成硝酸的吸收塔內填充瓷環(huán)，其作用是增大氣液接觸面積，吸收塔中還需補充空氣的目的是可使NO全部轉化成HNO₃．
（3）若輸送NH₃的管道某處發(fā)生泄漏，檢測的簡單方法為用濕潤的紅色石蕊試紙檢測，試紙變藍的位置即是氨氣泄漏處．
（4）在一定溫度和壓強的密閉容器中，將物質的量之比為3：2的H₂和N₂混合，當該反應達到平衡時，測出平衡混合氣中氨的體積分數(shù)為25%，此時H₂的轉化率為50%．
（5）制硝酸氧化爐中氨氣和氧氣在145℃就開始反應，在不同溫度和催化劑條件下生成不同產(chǎn)物（如圖所示）．溫度較低時以生成N₂為主，900℃時發(fā)生主要反應的化學方程式為4NH₃（g）+5O₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO（g）+6H₂O，當溫度高于900℃時，NO產(chǎn)率明顯下降的原因是生成NO的反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，NO的產(chǎn)率下降．

（6）若N₂、H₂合成氨時，H₂的轉化率為60%，NH₃催化氧化制HNO₃時的損失20%的氨，其它環(huán)節(jié)的損失忽略不計．則10tH₂最多可以制取71.1t硝酸銨．

Answer 1

分析 （1）壓強過大，可以壓碎催化劑，據(jù)此答題；
（2）合成硝酸的吸收塔內填充瓷環(huán)，可以增大氣液接觸面積，使二氧化氮被水充分吸收，由于二氧化氮與水反應生成硝酸外還生成一氧化氮，所以吸收塔中補充空氣可使NO全部轉化成HNO₃；
（3）根據(jù)NH₃的水溶液呈堿性，能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍，據(jù)此檢驗NH₃；
（4）設H₂起始物質的量為3amol，則N₂起始物質的量為2amol，達到平衡時轉化的H₂的物質的量為bmol，利用三段式，
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
開始（mol）：2a       3a       0
變化（mol）：$\frac{1}{3}$b       b       $\frac{2}{3}$b
平衡（mol）：2a-$\frac{1}{3}$b  3a-b      $\frac{2}{3}$b
根據(jù)平衡混合氣中氨的體積分數(shù)為25%，可計算出a、b的關系，進而確定轉化率；
（5）由圖可知低溫主要產(chǎn)物為氮氣；900℃時氨氣和氧氣反應生成一氧化氮和水，根據(jù)圖象可知溫度低時生成氮氣，溫度高時生成NO，但該反應為放熱反應，則溫度高于900℃時，NO產(chǎn)率下降；
（6）根據(jù)反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），H₂的轉化率為60%，10tH₂最多可以制取氨氣的質量為10t×60%×$\frac{17}{3}$=34t，NH₃催化氧化制HNO₃時的損失20%的氨，再根據(jù)氨與硝酸按1：1生成硝酸銨，可計算出硝酸銨的質量．

解答 解：（1）壓強過大，可以壓碎催化劑，縮短催化劑壽命，所以壓強不能過大，
故答案為：壓碎催化劑，縮短催化劑壽命；
（2）合成硝酸的吸收塔內填充瓷環(huán)，可以增大氣液接觸面積，使二氧化氮被水充分吸收，由于二氧化氮與水反應生成硝酸外還生成一氧化氮，所以吸收塔中補充空氣可使NO全部轉化成HNO₃，
故答案為：增大氣液接觸面積；可使NO全部轉化成HNO₃；
（3）根據(jù)NH₃的水溶液呈堿性，能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍，據(jù)此檢驗NH₃，檢測的簡單方法為用濕潤的紅色石蕊試紙檢測，試紙變藍的位置即是氨氣泄漏處，
故答案為：用濕潤的紅色石蕊試紙檢測，試紙變藍的位置即是氨氣泄漏處；
（4）設H₂起始物質的量為3amol，則N₂起始物質的量為2amol，達到平衡時轉化的H₂的物質的量為bmol，利用三段式，
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
開始（mol）：2a       3a       0
變化（mol）：$\frac{1}{3}$b       b       $\frac{2}{3}$b
平衡（mol）：2a-$\frac{1}{3}$b  3a-b      $\frac{2}{3}$b
根據(jù)題意可知，$\frac{\frac{2}{3}b}{2a-\frac{1}{3}b+3a-b+\frac{2}{3}b}$=25%，所以3a=2b，此時H₂的轉化率為$\frac{3a}$×100%=50%，
故答案為：50%；
（5）由圖可知低溫主要產(chǎn)物為氮氣N₂，900℃時氨氣和氧氣反應生成一氧化氮和水，反應方程式為4NH₃（g）+5O₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO（g）+6H₂O，生成NO的反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應方向移動，NO的轉化率下降，合成塔反應過程中產(chǎn)生NO，為充分利用，補充空氣會進一步與NO反應生成硝酸，
故答案為：N₂；4NH₃（g）+5O₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO（g）+6H₂O；生成NO的反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，NO的產(chǎn)率下降；
（6）根據(jù)反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），H₂的轉化率為60%，10tH₂最多可以制取氨氣的質量為10t×60%×$\frac{17}{3}$=34t，設被氧化的氨氣為xt，NH₃催化氧化制HNO₃時的損失20%的氨，則生成的硝酸為xt×（1-20%）×$\frac{63}{17}$，氨與硝酸按1：1生成硝酸銨，所以有$\frac{34t-xt}{17}$=$\frac{xt×（1-20%）×\frac{63}{17}}{63}$，則x=18.89，所以硝酸銨的質量為（34t-xt）×$\frac{80}{17}$=71.1t，
故答案為：71.1．

點評 本題主要考查了工業(yè)合成氨與制備硝酸，同時考查了化學平衡計算，綜合性較強，難度較大，正確理解各物質之間的反應是解題的關鍵，對學生分析問題和解決問題的能力要求較高．