Question

7．工業(yè)上制取硝酸銨的流程圖如下，請(qǐng)回答下列問題．
（1）合成氨的工業(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利用余熱，節(jié)約能源；此生產(chǎn)過程中，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，目的是防止催化劑中毒．
（2）1909年化學(xué)家哈伯在實(shí)驗(yàn)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(shí)了氫氣與氮?dú)庠诠腆w催化劑表面合成氨的反應(yīng)過程，示意圖如下：

●-●、○-○、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中的化學(xué)鍵斷裂．
（3）吸收塔中反應(yīng)為4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；從生產(chǎn)流程看，吸收塔中需要補(bǔ)充空氣，其原因是使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸．
（4）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+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂；
方法二：NH₃還原法：8NH₃+6NO₂    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)）．
上述三種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．
（5）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%．

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)；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）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；
（3）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；
（4）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；
（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)行脫硫可以防止催化劑中毒；
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）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；
（3）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；
（4）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：單獨(dú)的NO不能被吸收；甲烷比氨價(jià)格便宜；耗能高；
（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)量守恒的方法來進(jìn)行簡單計(jì)算，使用硝酸銨的注意事項(xiàng)，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．