题目内容

某化肥厂生产硝酸铵过程如下:原料气
①
 
②
硝酸
③
硝酸铵
其中反应②为:4NO+3O2+2H2O═4HNO3,原料气为氨气和空气的混合物,假设空气中氧气的体积分数为0.2.
(1)写出反应①的化学方程式
 
.
(2)若不考虑副反应且各步反应均完全,为使生产过程中不再补充空气,则原料气中制备硝酸的氨气(包含第③步被硝酸吸收的氨气)的体积分数最大值为
 
.
(3)若实际生产中,反应①、②中含氮物质的利用率分别为a、b,反应③中氨的利用率为c、硝酸的利用率为100%,则生产硝酸的氨气占所用氨气总量的体积分数为多少?在合成硝酸铵的全流程中,氨气的总利用率为多少?(请写出该小题的计算过程)
考点:化学方程式的有关计算,工业制取硝酸
专题:计算题,元素及其化合物
分析:(1)反应①为氨气催化氧化生成NO与水;
(2)整个过程包括这样几步反应:4NH3+5O2
催化剂
.
△
4NO+6H2O①、4NO+3O2+2H2O=4HNO3 ②、NH3+HNO3=NH4NO3 ③,将①+②+③×4可得:2NH3+2O2=NH4NO3 +H2O,由总方程式可得n(NH3):n(O2)=1:1,结合氧气的体积分数计算;
(3)制备的硝酸与剩余的氨气反应生成硝酸铵,二者物质的量之比为1:1,令氨气总量为1mol,设生产硝酸的氨气占所用氨气总量的体积分数为x,则生成硝酸铵的氨气的物质的量为(1-x)mol,根据氮元素守恒计算生成硝酸的物质的量,据此列方程计算.
根据氮原子守恒和含氮物质的利用率进行解答,再结合氨气和硝酸反应之间的关系式进行解答即可.
解答: 解:(1)反应①为氨气催化氧化生成NO与水,方程式为:4NH3+5O2
催化剂
.
△
4NO+6H2O,
故答案为:4NH3+5O2
催化剂
.
△
4NO+6H2O;
(2)整个过程包括这样几步反应:4NH3+5O2
催化剂
.
△
4NO+6H2O①、4NO+3O2+2H2O=4HNO3 ②、NH3+HNO3=NH4NO3 ③,将①+②+③×4可得:2NH3+2O2=NH4NO3 +H2O,由总方程式可得n(NH3):n(O2)=1:1,空气中氧气的体积分数为0.2,推知V(NH3):V(空气)=1:5,则原料气中氨(包括第③步被硝酸吸收的氨)的体积分数最大值为
1
1+5
=
1
6
,
故答案为:
1
6
;    
(3)令氨气总量为1mol,设生产硝酸的氨气占所用氨气的物质的量为x,则生成硝酸铵的氨气的物质的量为(1-x)mol,反应①、②中含氮物质的利用率分别为a、b,反应③中氨的利用率为c,硝酸的利用率为100%,则根据氮元素守恒NH3~NO~NHNO3,故可得硝酸的物质的量为abx mol,制备的硝酸与剩余的氨气反应生成硝酸铵,二者物质的量之比为1:1,则abx mol=(1-x)cmol,解得x=
c
ab+c
,
假设消耗NH3的总物质的量为1mol,其中用于制取HNO3的NH3的物质的量为ymol,被HNO3吸收的NH3的物质的量为zol,反应①、②中生成的硝酸为abymol,NH3+HNO3=NH4NO3 ,aby=cz,则:y+z=1、aby=cz,解得:y=
c
ab+c
,z=
ab
ab+c
,氨的总利用率=
yab+cz
1
=
2abc
ab+c
,
答:生产硝酸的氨气占所用氨气总量的体积分数为
c
ab+c
;氨气的总利用率为
2abc
ab+c
.
点评:本题考查了根据方程式进行计算,明确物质之间的反应及物质的利用率来分析解答,注意结合原子守恒解答,难度中等.
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