Question

13．2007年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予致力于研究氨的合成與催化劑表面積大小關(guān)系的德國科學(xué)家格哈德•埃特爾，以表彰他在“固體表面化學(xué)過程”研究中作出的貢獻(xiàn)．他研究的氫氣與氮?dú)庠诠腆w催化劑表面合成氨的反應(yīng)過程示意圖如下：

Ⅰ．圖⑤表示生成的NH₃離開催化劑表面．則圖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．
Ⅱ．工業(yè)上制取硝酸銨的模擬流程圖如下：

請(qǐng)回答下列問題：
（1）此生產(chǎn)過程中，N₂與H₂合成NH₃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利用余熱節(jié)約能源；合成氨過程中所用的催化劑是鐵砂網(wǎng)（或鐵）．生產(chǎn)中原料氣必須進(jìn)行脫硫處理的目的是防止催化劑中毒．
（2）在合成硝酸的吸收塔中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；通入空氣的目的是使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸．
（3）生產(chǎn)硝酸的過程中常會(huì)產(chǎn)生一些氮的氧化物，可用如下三種方法處理：
方法一：堿液吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O；
2NO₂+2Na₂CO₃═NaNO₂+NaNO₃+CO₂
方法二：NH₃還原法：8NH₃+6NO₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$ 7N₂+12H₂O（NO也有類似的反應(yīng)）
方法三：甲烷吸收法：CH₄（g）+2NO₂（g）═CO₂（g）+N₂（g）+2H₂O（g）△H=+867kJ•mol^-1
（NO也有類似的反應(yīng)）
上述方法中方法一最大的缺點(diǎn)是單獨(dú)的NO不能被吸收；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)是耗能高．
（4）某化肥廠用NH₃制備NH₄NO₃．已知：由NH₃制NO的產(chǎn)率是94%、NO制HNO₃的產(chǎn)率是89%，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54.4%．（保留三位有效數(shù)字）

Answer 1

分析 Ⅰ．圖②中兩種雙原子分子被吸附在催化劑表面；③中分子中的化學(xué)鍵斷裂生成原子；
Ⅱ．（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)，通過熱交換器可節(jié)約能源；N₂與H₂合成NH₃所用的催化劑是鐵砂網(wǎng)；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，通入空氣后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；
（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）根據(jù)氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，以此計(jì)算．

解答 解：Ⅰ．圖②中兩種雙原子分子被吸附在催化劑表面，即N₂、H₂被吸附在催化劑表面；③中分子中的化學(xué)鍵斷裂生成原子，即在催化劑表面N₂、H₂中的化學(xué)鍵斷裂生成N原子和H原子，
故答案為：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；
Ⅱ．（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所用的催化劑是鐵砂網(wǎng)；生產(chǎn)中原料氣必須進(jìn)行脫硫的目的是防止催化劑中毒，
故答案為：合成塔；利用余熱，節(jié)約能源；鐵砂網(wǎng)；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，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，
故答案為：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；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，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；甲烷比氨價(jià)格便宜；耗能高；
（4）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) 本題考查了制備方案的設(shè)計(jì)，題目難度中等，涉及工業(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)量守恒的方法來進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算等知識(shí)，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，試題培養(yǎng)了學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)計(jì)算能力．