Question

14．硝酸铵可用作化肥、军用炸药、杀虫剂、冷冻剂等，工业制取硝酸铵的工艺流程如下：

（1）合成氨气的工业设备名称是合成塔，设备中设置热交换器的目的是充分利用热能，合成氨的原料气必须先脱硫，目的是防止催化剂中毒；
（2）吸收塔中反应的化学方程式为2NO+O₂=2NO₂、3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO（或4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃），从生产流程看，吸收塔中需要补充空气，其原因是可使NO循环利用，提高原料利用率；
（3）生产硝酸的过程中常会产生氮的氧化物，可用如下三种方法处理：
方法一：碱性溶液吸收法
NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O；2NO₂+Na₂CO₃═NaNO₂+NaNO₃+CO₂
方法二：NH₃还原法
8NH₃（g）+6NO₂（g）═7N₂（g）+12H₂O（g）△H=-2635kJ/mol（NO也有类似的反应）
方法三：甲烷吸收法
CH₄（g）+2NO₂═CO₂（g）+N₂+2H₂O（g）△H=+867kJ/mol（NO也有类似的反应）
上述三种方法中，方法一的主要缺点是单独的NO不能被吸收；
方法三和方法二相比，方法三的缺点是耗能高；
（4）工业上也可以通过电解NO制备NH₄NO₃，其工作原理如图所示．

①图中通入NH₃的目的是为了使电解产物全部转化为NH₄NO₃；
②若维持电流强度为3A，电解2小时，理论上可制得NH₄NO₃的最大质量为6.0g；（已知F=96500C•mol^-l）（保留2位有效数字）．
（5）某化肥厂用NH₃制备NH₄NO₃．己知：NH₃制NO的产率是94%，NO制HNO₃的产率是89%，则制HNO₃所用NH₃的质量占总耗NH₃质量（不考虑其他损耗）的百分比为54.4%．

Answer 1

分析 （1）合成氨的工业设备是合成塔；合成氨的反应属于放热反应；合成氨的原料气必须先脱硫，生产中应防止催化剂中毒；
（2）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；
（3）方法一最大的缺点是单独的NO不能被吸收，只能与NO₂一起被碱液吸收；方法三和方法二相比，优点是甲烷比氨价格便宜；缺点是方法三的耗能较高；
（4）①工业上电解NO制备 NH₄NO₃，由装置图可知阳极发生氧化反应，NO被氧化生成NO₃^-，阴极发生还原反应，NO被还原生成NH₄⁺，阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，结合电极方程式解答；
②根据转移的电子守恒解答；
（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；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；N₂与H₂合成NH₃，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；充分利用热能，节约能源；防止催化剂中毒；
（2）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2NO+O₂=2NO₂，二氧化氮再与水反应生成硝酸3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，这样使NO循环利用，全部转化为硝酸，反应的化学方程式为4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；
故答案为：2NO+O₂=2NO₂、3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO（或4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃）；可使NO循环利用，提高原料利用率；
（3）方法一最大的缺点是单独的NO不能被吸收，只能与NO₂一起被碱液吸收；方法三和方法二相比，优点是甲烷比氨价格便宜，节约成本；缺点是方法三的反应热为+867kJ•mol^-1，耗能较高；
故答案为：单独的NO不能被吸收；耗能高；
（4）①电解NO制备NH₄NO₃，阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，从两极反应可看出，要使得失电子守恒，阳极产生的NO₃^-的物质的量大于阴极产生的NH₄⁺的物质的量，总反应方程式为：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此补充NH₃，使电解产物全部转化为NH₄NO₃，
故答案为：使电解产物全部转化为NH₄NO₃；
②维持电流强度为3A，电解2小时，时间为7200S，F=96500C•mol^-1，Q=It=3.0C/s×7200S，则理论上可制得NH₄NO₃的最大质量为$\frac{3.0C/S×7200S}{\frac{96500C/mol}{3}}$×80g/mol=6.0g，
故答案为：6.0；
（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%=54.4%；即制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的54.4%，
故答案为：54.4%．

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计算，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．