Question

16．铵盐是重要的化工原料，以N₂和H₂为原料制取硝酸铵的流裎阁如下，请回答下列问题：

（1）在上述流程阁中，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{\;Rt-Rh\;}}{△}$4NO+6H₂O．
（2）在上述工业生产中，N₂与H₂合成NH₃的傕化剂是铁砂网，1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨，2007年化学家格哈德．埃特尔在哈伯研究所证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程，示 意图如下：
、、分别表示N₂、H₂、NH₃图⑤表示生成的NH₃离开催化剂表面，图②和图③的含义分别 是N₂、H₂被吸附在催化剂表面、在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂
（3）NH₃和C0₂在一定条件下可合成尿素，其反应为：2NH₃（g）+CO₂（g）?C0（NH₂）₂（s）+H₂0（g）
如图表示合成塔中氨碳比a与C0₂转化率ω的关系a为$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$，b 为水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$则：
①b应控制在C
A．1.5～1.6 B.1〜1.1 C.0.6〜0.7
②a应控制在4.0的理由是氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）大于4.0时，增大氨气的物质的量，二氧化碳的转化率增加不大，增加了生产成本；氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）小于4.0时，二氧化碳的转化率较小
（4）在合成氨的设备（合成塔）中，设置热交換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，全部转化为硝酸
（5）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$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$7N₂+12H₂0 （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
（6）某化肥厂用NH₃制备NH₄NO₃已知：由NH₃制NO的产率是96%、NO制HN0₃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53.1%．

Answer 1

分析 氮气、氢气在合成塔中合成氨气，氨气在氧化炉中氧化为NO，NO、氧气、水吸收塔中合成硝酸，硝酸与氨气合成硝酸铵．
（1）B中发生氨气的催化氧化生成NO，设备为氧化炉；
（2）在上述工业生产中，N₂与H₂合成NH₃的傕化剂是铁砂网；
氮气、氢气在催化剂表面合成氨反应过程的顺序为：图①氮气分子和氢气分子向催化剂表面靠近，图②氮气和氢气吸附在催化剂的表面，图③在催化剂的作用下分解成氢原子和氮原子，在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂；图④在催化剂形成NH₃；图⑤脱离催化剂表面；
（3）①氨碳比一定时，选择二氧化碳转化率最大时的碳水比；
②氨碳比a大于4.0时，增大氨气的物质的量，二氧化碳的转化率增加不大，增加了生产成本，氨碳比a小于4.0时，二氧化碳的转化率较小；
（4）合成氨为放热反应，温度太高不利于氨气生成，并进行原料气的预热，充分利用余热，节约能源；
在合成硝酸的吸收塔中通入空气，使NO循环利用，全部转化为硝酸；
（5）根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；
（6）假设硝酸铵的物质的量为1mol，则与硝酸反应的氨气为1mol，根据原子守恒计算制备硝酸的氨气，每一步损失率、利用率都以氨气计算．

解答 解：（1）氨气在氧化炉中被催化氧化，B设备的名称是氧化炉；氨气被氧化为NO和水，其反应的方程式为：4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{\;Rt-Rh\;}}{△}$4NO+6H₂O；
故答案为：氧化炉；4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{\;Rt-Rh\;}}{△}$4NO+6H₂O；
（2）N₂与H₂合成NH₃所用的催化剂是铁砂网；氮气、氢气在催化剂表面合成氨反应过程的顺序为：图①氮气分子和氢气分子向催化剂表面靠近，图②氮气和氢气吸附在催化剂的表面，图③在催化剂的作用下分解成氢原子和氮原子，在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂；图④在催化剂形成NH₃；图⑤脱离催化剂表面；
故答案为：铁砂网；N₂、H₂被吸附在催化剂表面；在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂；
（3）①氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）相同时，水碳比（$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$）为0.6～0.7时，二氧化碳转化率最大，
故答案为：c；
②氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）大于4.0时，增大氨气的物质的量，二氧化碳的转化率增加不大，增加了生产成本；氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）小于4.0时，二氧化碳的转化率较小，
故答案为：氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）大于4.0时，增大氨气的物质的量，二氧化碳的转化率增加不大，增加了生产成本；氨碳比a（$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）小于4.0时，二氧化碳的转化率较小；
（4）合成氨的反应属于放热反应，反应过程中会放出大量的热，用热交换器并进行原料气的预热，可以充分利用余热，节约能源，还有利于氨气的生成；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}}{△}$7N₂+12H₂O，分析可知碱液吸收法消耗大量的氢氧化钠生成的亚硝酸盐毒，NH₃还原法产物无污染，得到合成氨的原料气，故符合绿色化学的是氨气还原法；
故答案为：氨气还原法；
（5）假设硝酸铵的物质的量为1mol，则与硝酸反应的氨气为1mol，制备的硝酸为1mol，令制备硝酸的氨气为xmol，每一步损失率、利用率都以氨气计算，根据原子守恒，xmol×96%×92%=1mol，解得x=$\frac{10000}{96×92}$%，故制HNO₃所用去的氨气的质量占总耗氨的质量分数是$\frac{\frac{10000}{96×92}mol}{1mol+\frac{10000}{96×92}mol}$×100%≈53.1%，
故答案为：53.1%．

点评 本题考查化学工业制备、阅读获取信息的能力、化学计算等，（6）中注意利用守恒思想计算，也可以利用关系式计算，是对学生综合能力的考查．