Question

11．工业上制取硝酸铵的流程图如图1，请回答下列问题：

（1）在上述工业制硝酸的生产中，B设备的名称是氧化炉，其中发生反应的化学方程式为4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O．
（2）此生产过程中，N₂与H₂合成NH₃所用的催化剂是铁砂网．1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨，2007年化学家格哈德•埃特尔在哈伯研究所证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程，示意图如图2：

分别表示N₂、H₂、NH₃．图⑤表示生成的NH₃离开催化剂表面，图②和③的含义分别是N₂、H₂被吸附在催化剂表面、在催化剂表面，N₂、H₂中化学键断裂．
（3）在合成氨的设备（合成塔）中，设置热交换器的目的是利用余热，节约能源；在合成硝酸的吸收塔中通入空气的目的是使NO循环利用，全部转化成HNO₃．
（4）生产硝酸的过程中常会产生一些氮的氧化物，可用如下两种方法处理：
碱液吸收法：NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O
NH₃还原法：8NH₃+6NO₂=7N₂+12H₂O（NO也有类似的反应）
以上两种方法中，符合绿色化学的是氨气还原法 ．
（5）某化肥厂用NH₃制备NH₄NO₃．已知：由NH₃制NO的产率是96%、NO制HNO₃的产率是92%，则制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量（不考虑其它损耗）的53%．

Answer 1

分析 （1）氨气在氧化炉中被催化氧化；氨气被氧化为NO和水；
（2）N₂与H₂合成NH3所用的催化剂是铁砂网；图②中两种双原子分子被吸附在催化剂表面；③中分子中的化学键断裂生成原子；
（3）合成氨的反应属于放热反应，热交换器可以充分利用余热，节约能源；在吸收塔中二氧化氮与水反应生成硝酸和NO，NO能被氧气氧化为二氧化氮；
（4）据反应化学方程式反应物和生成物的性质和经济效益分析，绿色化学为无污染，原子利用率高的生产；
（5）根据NH₃制NO的产率是96%、NO制HNO₃的产率是92%，利用氮原子守恒来计算硝酸的量，再由HNO₃跟NH₃反应生成NH₄NO₃来计算氨气的量，最后计算制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的百分数．

解答 解：（1）氨气在氧化炉中被催化氧化，B设备的名称是；氨气被氧化为NO和水，其反应的方程式为：4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O；
故答案为：氧化炉；4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O；
（2）N₂与H₂合成NH₃所用的催化剂是铁砂网；图②中两种双原子分子被吸附在催化剂表面，即N₂、H₂被吸附在催化剂表面；③中分子中的化学键断裂生成原子，即在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂生成N原子和H原子；
故答案为：铁砂网；N₂、H₂被吸附在催化剂表面；在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂；
（3）合成氨的反应属于放热反应，反应过程中会放出大量的热，用热交换器可以充分利用余热，节约能源；在吸收塔中二氧化氮与水反应生成硝酸和NO，通入空气，NO能被空气中的氧气氧化为二氧化氮，二氧化氮再与水反应生成硝酸，这样使NO循环利用，全部转化为硝酸；
故答案为：利用余热，节约能源；使NO循环利用，全部转化为硝酸；
（4）碱液吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O，NH₃还原法：8NH₃+6NO₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$7N₂+12H₂O，分析可知碱液吸收法消耗大量的氢氧化钠生成的亚硝酸盐毒，NH₃还原法产物无污染，得到合成氨的原料气，故符合绿色化学的是氨气还原法，
故答案为：氨气还原法；
（5）由NH₃制NO的产率是96%、NO制HNO₃的产率是92%，根据氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，则1mol氨气可得到硝酸1mol×96%×92%=0.8832mol，由HNO₃+NH₃═NH₄NO₃，则该反应消耗的氨气的物质的量为0.8832mol，氨气的质量之比等于物质的量之比，则制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的百分数为$\frac{1mol}{1mol+0.8832mol}$×100%=53%；即制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的53%，
故答案为：53．

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．