Question

14．硝酸銨可用作化肥、軍用炸藥、殺蟲(chóng)劑、冷凍劑等，工業(yè)制取硝酸銨的工藝流程如下：

（1）合成氨氣的工業(yè)設(shè)備名稱是合成塔，設(shè)備中設(shè)置熱交換器的目的是充分利用熱能，合成氨的原料氣必須先脫硫，目的是防止催化劑中毒；
（2）吸收塔中反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NO+O₂=2NO₂、3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO（或4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃），從生產(chǎn)流程看，吸收塔中需要補(bǔ)充空氣，其原因是可使NO循環(huán)利用，提高原料利用率；
（3）生產(chǎn)硝酸的過(guò)程中常會(huì)產(chǎn)生氮的氧化物，可用如下三種方法處理：
方法一：堿性溶液吸收法
NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O；2NO₂+Na₂CO₃═NaNO₂+NaNO₃+CO₂
方法二：NH₃還原法
8NH₃（g）+6NO₂（g）═7N₂（g）+12H₂O（g）△H=-2635kJ/mol（NO也有類似的反應(yīng)）
方法三：甲烷吸收法
CH₄（g）+2NO₂═CO₂（g）+N₂+2H₂O（g）△H=+867kJ/mol（NO也有類似的反應(yīng)）
上述三種方法中，方法一的主要缺點(diǎn)是單獨(dú)的NO不能被吸收；
方法三和方法二相比，方法三的缺點(diǎn)是耗能高；
（4）工業(yè)上也可以通過(guò)電解NO制備NH₄NO₃，其工作原理如圖所示．

①圖中通入NH₃的目的是為了使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH₄NO₃；
②若維持電流強(qiáng)度為3A，電解2小時(shí)，理論上可制得NH₄NO₃的最大質(zhì)量為6.0g；（已知F=96500C•mol^-l）（保留2位有效數(shù)字）．
（5）某化肥廠用NH₃制備NH₄NO₃．己知：NH₃制NO的產(chǎn)率是94%，NO制HNO₃的產(chǎn)率是89%，則制HNO₃所用NH₃的質(zhì)量占總耗NH₃質(zhì)量（不考慮其他損耗）的百分比為54.4%．

Answer 1

分析 （1）合成氨的工業(yè)設(shè)備是合成塔；合成氨的反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)；合成氨的原料氣必須先脫硫，生產(chǎn)中應(yīng)防止催化劑中毒；
（2）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；
（3）方法一最大的缺點(diǎn)是單獨(dú)的NO不能被吸收，只能與NO₂一起被堿液吸收；方法三和方法二相比，優(yōu)點(diǎn)是甲烷比氨價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是方法三的耗能較高；
（4）①工業(yè)上電解NO制備 NH₄NO₃，由裝置圖可知陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，NO被氧化生成NO₃^-，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，NO被還原生成NH₄⁺，陽(yáng)極反應(yīng)為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，陰極反應(yīng)為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，結(jié)合電極方程式解答；
②根據(jù)轉(zhuǎn)移的電子守恒解答；
（5）根據(jù)氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，以此計(jì)算．

解答 解：（1）合成氨的工業(yè)設(shè)備是合成塔；合成氨的反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中會(huì)放出大量的熱，用熱交換器可以充分利用余熱，節(jié)約能源；N₂與H₂合成NH₃，生產(chǎn)中原料氣必須進(jìn)行脫硫可以防止催化劑中毒；
故答案為：合成塔；充分利用熱能，節(jié)約能源；防止催化劑中毒；
（2）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2NO+O₂=2NO₂，二氧化氮再與水反應(yīng)生成硝酸3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，這樣使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸，反應(yīng)的化學(xué)方程式為4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；
故答案為：2NO+O₂=2NO₂、3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO（或4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃）；可使NO循環(huán)利用，提高原料利用率；
（3）方法一最大的缺點(diǎn)是單獨(dú)的NO不能被吸收，只能與NO₂一起被堿液吸收；方法三和方法二相比，優(yōu)點(diǎn)是甲烷比氨價(jià)格便宜，節(jié)約成本；缺點(diǎn)是方法三的反應(yīng)熱為+867kJ•mol^-1，耗能較高；
故答案為：?jiǎn)为?dú)的NO不能被吸收；耗能高；
（4）①電解NO制備NH₄NO₃，陽(yáng)極反應(yīng)為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，陰極反應(yīng)為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，從兩極反應(yīng)可看出，要使得失電子守恒，陽(yáng)極產(chǎn)生的NO₃^-的物質(zhì)的量大于陰極產(chǎn)生的NH₄⁺的物質(zhì)的量，總反應(yīng)方程式為：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此補(bǔ)充NH₃，使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH₄NO₃，
故答案為：使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH₄NO₃；
②維持電流強(qiáng)度為3A，電解2小時(shí)，時(shí)間為7200S，F(xiàn)=96500C•mol^-1，Q=It=3.0C/s×7200S，則理論上可制得NH₄NO₃的最大質(zhì)量為$\frac{3.0C/S×7200S}{\frac{96500C/mol}{3}}$×80g/mol=6.0g，
故答案為：6.0；
（5）由NH₃制NO的產(chǎn)率是94%、NO制HNO₃的產(chǎn)率是89%，根據(jù)氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，則1mol氨氣可得到硝酸1mol×94%×89%=0.8366mol，由HNO₃+NH₃═NH₄NO₃，則該反應(yīng)消耗的氨氣的物質(zhì)的量為0.8366mol，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 $\frac{1mol}{1mol+0.8366mol}$×100%=54.4%；即制HNO₃所用去的NH₃的質(zhì)量占總耗NH₃質(zhì)量的54.4%，
故答案為：54.4%．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了工業(yè)制備原理應(yīng)用，流程分析，實(shí)驗(yàn)制備物質(zhì)的分析判斷，利用物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及質(zhì)量守恒的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)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，題目難度中等．