Question

氮气是制备含氮化合物的一种重要物质，而氮的化合物用途广泛．
（1）下面是利用氮气的一种途径：

①工业上过程Ⅱ的常见化学方程式是

 

；
②在碱性溶液中通过电解法可以实现由N₂制取NH₃：2N₂+6H₂O

电解  .

4NH₃+3O₂，阴极的电极反应式是

 

．
（2）在25℃下将2a mol?L^-1的氨水与0.02mol?L^-1的盐酸等体积混合，反应后若溶液显中性，则NH₃?H₂O的电离常数K_b=

 

．（用含a的代数式表示）
（3）我国化学工程专家侯德榜（1890-1974）于1943年创立的侯氏制碱法，是将氨碱法和合成氨法两种工艺联合起来，同时生产纯碱和氯化铵两种产品的方法．其生产流程可简要表示如图：

①在沉淀池加入饱和食盐水，应先通入的气体是

 

；
②沉淀池中反应的化学方程式为

 

；
（4）实验室模拟侯氏原理制备纯碱的主要步骤包括：将配制好的饱和NaCl溶液倒人烧杯中，加热到一定温度范围，搅拌下分批加入研细的NH₄HCO₃固体；加料完毕后，继续保温30min，箭置，过滤得NaHCO₃晶体，洗涤晶体，干燥后，转入坩埚中，灼烧2小时，制得Na₂CO₃晶体．请参考表中的数据填空．
                四种盐在不同温度下的溶解度表（g/100g水）

	0℃	10℃	20℃	30℃	40℃	50℃
NaCl	35.7	35.8	36.0	36.3	36.6	37.0
NH4HCO2	11.9	15.8	21.0	27.0	-*	-
NaHCO3	6.9	8.1	9.6	11.1	12.7	14.5
NH4Cl	29.4	33.3	37.2	41.4	45.8	50.4

①实验中只析出NaHCO₃晶体的原因是

 

．
②操作过程中反应温度应控制在30℃＜t＜

 

．
③过滤后得到母液中含有的离子有

 

，向其中加入适量盐酸，并做进一步处理，使NaCl循环利用，同时回收NH₄Cl．

Answer 1

考点：纯碱工业（侯氏制碱法）

专题：元素及其化合物,化学应用

分析：（1）①氮的固定是将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程；
②根据电解时阴极物质得到电子，化合价升高，发生还原反应，阳极物质失去电子发生氧化反应；
（2）依据溶液中存在的电荷守恒判断溶液酸碱性；根据溶液的电荷守恒判断，结合NH₃?H₂O的电离常数K_b=

c(NH4+)?c(OH-)

c(NH3?H2O)

计算．
（3）①氨气极易溶于水，二氧化碳在水中的溶解度较小；
②饱和食盐水中通入氨气和二氧化碳析出碳酸氢钠晶体；根据过滤的原理和适用范围回答；
析出碳酸氢钠后的溶液为碳酸氢钠的饱和溶液，所以母液中有未反应完的氯化钠和碳酸氢氨，及生成的氯化铵和没有析出的碳酸氢钠；
（4）①根据同温下各物质的溶解度大小来回答；
②碳酸氢铵与碳酸氢钠的溶解度在30℃时相差较大，若温度过低，则反应速率较慢，高于35℃时NH₄HCO₃开始分解；
③根据所得的母液主要成分来确定其中含有的离子．

解答： 解：（1）①氮的固定是将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程，过程Ⅱ的化学方程式为：N₂+O₂

放电  .

2NO，故答案为：N₂+O₂

放电  .

2NO；
②阴极N₂得到电子，化合价升高，发生还原反应，阳极OH^-失去电子发生氧化反应，阴极反应：N₂+6e^-+6H₂O=2 NH₃+6OH^-，故答案为：N₂+6e^-+6H₂O=2 NH₃+6OH^-；
（2）反应后溶液中存在电荷守恒：c（NH₄⁺）+c（H⁺）=c（Cl^-）+c（OH^-），因为c（NH₄⁺）=c（Cl^-），所以c（H⁺）=c（OH^-），溶液呈中性；由溶液的电荷守恒可得：c（H⁺）+c（NH₄⁺）=c（Cl^-）+c（OH^-），已知c（NH₄⁺）=c（Cl^-），则有c（H⁺）=c（OH^-），所以溶液显中性；平衡时溶液中c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.01mol/L，根据物料守恒得n（NH₃．H₂O）=（a-0.01）mol/L，根据电荷守恒得c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7mol/L，电离常数只与温度有关，则此时NH₃?H₂O的电离常数K_b=

c(NH4+)?c(OH-)

c(NH3?H2O)

=

1×10-7mol/L

(a-0.01)mol/L

=

10-7

a-0.01

，故答案为：

10-7

a-0.01

；
（3）①二氧化碳在水中的溶解度较小，氨气极易溶于水，所以应该先通氨气有利于吸收二氧化碳，
故答案为：NH₃；
②氨气、二氧化碳、水和氯化钠发生反应生成碳酸氢钠和氯化铵，反应方程式为NH₃+H₂O+CO₂+NaCl═NH₄Cl+NaHCO₃↓，故答案为：NH₃+CO₂+NaCl+H₂O═NaHCO₃↓+NH₄Cl；
（4）①根据表中数据知道：在相同的温度下，碳酸氢钠的溶解度较小，所以实验中只析出NaHCO₃晶体，故答案为：在相同的温度下，碳酸氢钠的溶解度较小；
②碳酸氢铵与碳酸氢钠的溶解度在30℃时相差较大，有利于碳酸氢钠析出，若温度过低，则反应速率较慢，高于35℃时NH₄HCO₃开始分解，故反应温度控制在30～35℃之间为宜；故答案为：35℃；
③过滤除去析出的碳酸氢钠，溶液中还有部分碳酸氢钠未析出，是碳酸氢钠的饱和溶液，还有溶解在溶液中未析出的NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃，所得的母液主要成分为NaHCO₃、NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃，Na⁺、Cl^-、HCO₃^-、NH₄⁺．
故答案为：Na⁺、Cl^-、HCO₃^-、NH₄⁺．

点评：本题考查了联碱法和氨碱法生产流程的原理比较和物质分析判断，明确碳酸钠、碳酸氢钠、氨气、二氧化碳的性质，掌握工艺流程和反应原理是解题关键，题目难度中等．