Question

10．联合生产是实现节能减排的重要措施，工业上合成氨和硝酸的联合生产具有重要意义．如图1是工业上合成氨的简易流程：

（1）设备A内部结构如图2所示，其名称是合成塔，其中发生的化学反应方程式为N₂ +3H₂ $?_{催化剂}^{高温、高压}$2NH₃ ；选择500℃进行反应的主要原因是此温度下催化剂效率最高；生产中原料气必须进行脱硫，目的是防止催化剂中毒．
（2）设备B的名称是冷却塔或（冷凝器），其作用是利用余热，节约能源，图中a和b是两个通水口，其中入水口是b（填“a”或“b”）．
（3）氮气和氢气的混合气体通过压缩机压缩的原因是增大压强，加快反应速率，使平衡朝生成NH₃的方向进行．
（4）生产出来的NH₃可以用来生产硝酸．其中在氨气催化氧化过程中，不同温度下生成产物可能有所不同，温度对氨氧化产物产率的影响如图3所示；当温度大于900℃时，NO的产率下降的主要原因是部分NO转化为N₂．

（5）某化肥厂用NH₃制备NH₄N0₃．已知：由NH₃制NO的产率是94%，NO制HNO₃的产率是89%，则制HN0₃所用NH₃的质量占总耗NH₃质量（不考虑其它损耗）的54%（保留两位有效数字）．

Answer 1

分析 （1）根据图示可知，设备A为合成塔、B为冷凝器或冷凝塔；工业合成氨中合成塔中的反应为氮气和氢气在高温高压条件下生成氨气，据此写出反应的化学方程式；合成氨的反应属于放热反应，根据化学反应速率和平衡移动知识来分析选择500℃的原因；生产中原料气必须进行脱硫，防止催化剂中毒；
（2）B为冷凝器或冷凝塔；作用是利用余热，节约能源；
（3）根据增大压强对平衡移动的影响知识来回答；
（4）由图象可知，温度高于900℃时，NO的产率降低，氮气的产率增大，各反应为放热反应，高温下不利于向正反应进行，应是NO转变为N₂所致；
（5）根据氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，以此计算．

解答 解：（1）合成氨的工业设备是合成塔；N₂与H₂合成NH₃所用的催化剂是铁砂网，温度过低，反应速率较慢，温度较高，不利合成氨气，选择500℃的主原因是在这个温度下催化剂活性最大；生产中原料气必须进行脱硫可以防止催化剂中毒；
故答案为：合成塔，N₂ +3H₂ $?_{催化剂}^{高温、高压}$ 2NH₃ ，此温度下催化剂效率最高，防止催化剂中毒；
（2）B为冷凝器或冷却塔；合成氨的反应属于放热反应，用热交换器可以充分利用余热，节约能源；氮、氢混合气体送入合成塔前要通过压缩机压缩，来增大压强，这样可以加快化学反应速率，还可以让化学平衡朝生成NH₃的方向进行；a和b是两个通水口，其中入水口应考虑下进上出；
故答案为：冷却塔或（冷凝器）；利用余热，节约能源；b；
（3）增大压强，加快反应速率，平衡向气体体积减小的方向移动，即平衡朝生成NH₃的方向进行；
故答案为：增大压强，加快反应速率，使平衡朝生成NH₃的方向进行；
（4）各反应为放热反应，高温下不利于向正反应进行，由图象可知，温度高于900℃时，NO的产率降低，氮气的产率增大，故温度高于900℃时应是部分NO转化为N₂；
故答案为：部分NO转化为N₂；
（5）由NH₃制NO的产率是94%、NO制HNO₃的产率是89%，根据氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，则1mol氨气可得到硝酸1mol×94%×89%=0.8366mol，由HNO₃+NH₃═NH₄NO₃，则该反应消耗的氨气的物质的量为0.8366mol，氨气的质量之比等于物质的量之比，则制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的百分数为 $\frac{1mol}{1mol+0.8366mol}$×100%=54%；即制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的54%；
故答案为：54．

点评 本题考查了工业制备原理应用，流程分析，实验制备物质的分析判断，利用物质的转化及质量守恒的方法来进行简单计算，使用硝酸铵的注意事项，明确转化中的化学反应得出物质之间的关系是解答的关键，题目难度中等．