Question

15．工业上制取硝酸铵的流程图如图1所示．

请回答下列问题：
（1）在合成氨的生产中，A设备的名称为合成塔，N₂与H₂合成NH₃所用的催化剂是铁触媒．2007年化学家格哈德•埃特尔研究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H₂、N₂、NH₃．图⑤表示生成的NH₃离开催化剂表面，图②和③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．
（2）合成氨时，假设100L氮气与氢气（体积比为1：3）的混合气体充分反应后，体积变为90L，则氮气的转化率为20%．
（3）在上述工业生产中，B装置的名称为氧化炉，B中发生反应的化学方程式为4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O．
（4）已知1m³硝酸工业的尾气中含3160mgNO_x，其中n（NO）：n（NO₂）=9：1．如果在通入空气的情况下，用NaOH溶液完全吸收NO_x生成NaNO₃，则发生反应的化学方程式为10NaOH+7O₂+9NO+NO₂═10NaNO₃+5H₂O，至少需要25%的NaOH溶液（密度1.28g/cm³）12.5mL（结构保留三位有效数字）．
（5）已知以上硝酸工业的尾气NO_x还可以用氨氧混合气进行处理，写出以上尾气NO_x与氨气反应的化学方程式22NH₃+27NO+3NO₂═26N₂+33H₂O．

Answer 1

分析 （1）合成塔是N₂与H₂合成NH₃的设备，所用的催化剂是铁触媒；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；
（2）根据反应方程式N₂+3H₂?2NH₃，根据体积的变化求反应的氮气的体积，然后根据转化率为=$\frac{变化量}{起始量}$；
（3）氨气在氧化炉中被催化氧化；氨气被氧化为NO和水；
（4）NaOH溶液与尾气n（NO）：n（NO₂）=9：1在氧气的作用下反应生成NaNO₃和水，根据氧化还原反应得失电子守恒写出方程式；设混合气体中含有xmolNO，ymolNO₂，依据题中条件n（NO）：n（NO₂）=9：1，及总质量为3160mg，计算两种气体的物质的量，根据化学反应方程式中氢氧化钠与气体的比例关系计算出氢氧化钠的物质的量，结合c=$\frac{1000ρω}{M}$计算出质量分数为25%、密度为1.28g/cm³的氢氧化钠的浓度，最后用V=$\frac{n}{c}$计算体积；
（5）尾气NO_x与氨气发生归中反应生成氮气．

解答 解：（1）合成塔是N₂与H₂合成NH₃的设备，所用的催化剂是铁触媒；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：合成塔；铁触媒；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；
（2）根据反应方程式N₂+3H₂?2NH₃ △V，
                     1         2
                    V变       100-90
所以V变=$\frac{100-90}{2}$=5L，
所以转化率为=$\frac{变化量}{起始量}$=$\frac{5L}{100L×\frac{1}{4}}$=20%，
故答案为：20%；
（3）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}}{△}$4NO+6H₂O；
（4）NaOH溶液与尾气n（NO）：n（NO₂）=9：1在氧气的作用下反应生成NaNO₃和水，反应方程式为：10NaOH+7O₂+9NO+NO₂═10NaNO₃+5H₂O，
由题意可知n（NO）：n（NO₂）=9：1，及总质量为3160mg，设混合气体中含有xmolNO，ymolNO₂，
则：x：y=9：1；30x+46y=3.16；解得x=0.09；y=0.01；
则氢氧化钠的物质的量为0.1mol，氢氧化钠的物质的量浓度c=$\frac{1000ρω}{M}$=$\frac{1000×1.28×25%}{40}$mol/L=8mol/L，则氢氧化钠的体积为：V=$\frac{n}{c}$=$\frac{0.1mol}{8mol/L}$=0.0125L=12.5mL，
故答案为：10NaOH+7O₂+9NO+NO₂═10NaNO₃+5H₂O；12.5mL； 
（5）尾气NO_x与氨气发生归中反应生成氮气，反应方程式为：22NH₃+27NO+3NO₂═26N₂+33H₂O，
故答案为：22NH₃+27NO+3NO₂═26N₂+33H₂O．

点评 本题考查了工业制备氨气的原理应用，流程分析，按题中信息准确书写氧化还原反应方程式，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．