Question

14．工业上制取硝酸的只要流程如图1所示，尾气处理流程如图2所示：

请根据上述流程，结合所学知识回答：
（1）工业合成氨的原料是N₂和H₂，其中N₂以空气为原料制取，方法是分离液态空气法．H₂可用等物质的量的水和天然气为原料在催化剂作用下高温制取，其化学方程式为CH₄+H₂O（g） CO+3H₂．　在原料气制备过程中混有的CO对催化剂有毒害作用，欲除去原料气中的CO，可通过反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）来实现．己知1100K时该反应的平衡常数K=0.64，若要使CO的转化率超过80%，则起始物中c（H₂O）：c（CO）不低于5.8：1．
（2）在合成氨的设备（合成塔）中，使用热交换器的目的是充分利用余热，节约能源．往吸收塔通入过量空气的原因是可使NO循环利用，全部转化成HNO₃．
（3）利用石灰乳来除去硝酸工业的尾气（含NO、NO₂），既能净化尾气，又能获得应用广泛的Ca（NO₂）₂，其部分工艺流程如图2所示．已知NO和NO₂按1：1通入碱液中生成亚硝酸盐．工艺流程2中采用气-液逆流接触吸收（尾气从吸收塔底进入，石灰乳从吸收塔顶喷淋），其目的是使尾气中NO、NO₂被充分吸收；滤渣可循环使用，滤渣的主要成分是Ca（OH）₂（填化学式）．该工艺需控制NO和NO₂物质的量之比接近1：1．若n（NO）：n（NO₂）＜1：1，则会导致产品Ca（NO₂）₂中Ca（NO₃）₂含量升高．
（4）工业上生产硝酸的过程中产生NO_x，也可以用NH₃在高温下催化还原法消除NO_x对空气的污染．写出NH₃与NO_x反应的化学方程式4xNH₃+6NO_x6xH₂O+（2x+3）N₂．

Answer 1

分析 （1）合成氨中，氮气和氢气在合成塔中反应生成氨气，氮气、氧气都为分子晶体，氮气式量小于氧气，所以分离空气提取氮气的方法为先液化、后汽化或蒸馏，先汽化的气体为氮气，以此提取氮气，水蒸气和甲烷反应生成一氧化碳和氢气，据此书写方程式；根据平衡常数用三段式法计算；
（2）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；
（3）使尾气中NO、NO₂与石灰乳充分接触；滤渣的主要成分是Ca（OH）₂；若＜1：1，则二氧化氮过量；
（4）NH₃能使NO_x转化为N₂和水，根据化学方程式的书写知识来回答．

解答 解：（1）工业合成氨的原料是N₂和H₂，反应原料N₂可从空气中分离出来，方法是先将空气液化，然后蒸馏或控制N₂的沸点加热蒸发，氮气先汽化，即可得到，水蒸气和甲烷反应生成一氧化碳和氢气，反应为：CH₄+H₂O（g） CO+3H₂，
设CO的起始浓度为xmol，H₂O的起始浓度为ymol，则转化的CO的最小值为0.8x，
     CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始  x        y       0       0
变化 0.8x     0.8x     0.8x     0.8x
平衡 0.2x    y-0.8x   0.8x    0.8x，
根据平衡常数列式：$\frac{（0.8x）^{2}}{0.2x×（y-0.8x）}$=0.64，
解得：$\frac{y}{x}$=5.8：1．故此只要此值大于5.8，转化率就会超过80%．
故答案为：分离液态空气法；CH₄+H₂O（g） CO+3H₂； 5.8：1；
（2）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：充分利用余热，节约能源；可使NO循环利用，全部转化成HNO₃；
（3）使尾气中NO、NO₂与石灰乳充分接触，NO、NO₂被充分吸收；滤渣主要成分是Ca（OH）₂，若n（NO）：n（NO₂）＜1：1，则二氧化氮过量，二氧化氮可与石灰乳反应生成Ca（NO₃）₂，
故答案为：使尾气中NO、NO₂被充分吸收；Ca（OH）₂；产品Ca（NO₂）₂中Ca（NO₃）₂含量升高；
（4）NH₃能使NO_x转化为N₂和水，化学方程式为4xNH₃+6NO_x6xH₂O+（2x+3）N₂，
故答案为：4xNH₃+6NO_x6xH₂O+（2x+3）N₂．

点评 本题考查学生在“工艺流程阅读分析，化学反应原理在工艺流程的应用，氧化还原反应分析，相关反应的书写”等方面对元素化合物性质及其转化关系的理解和应用程度，考查学生对新信息的处理能力，掌握合成氨的原理以及利用三段式法计算平衡问题是解答关键，题目难度中等．