Question

19．工业合成上氨及氨氧化法制硝酸的流程图如图，回答下列问题：

（1）工业合成氨的原料是N₂和H₂．设备A的名称是合成塔；其中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的沸点加热蒸发即可得到；H₂可以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．
（2）在原料气制备过程中必须进行脱硫，目的是防止催化剂中毒．
（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，已知NO和NO₂按1：1通入碱液中生成亚硝酸盐．
①上述工艺中采用气-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），其目的是使尾气中的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）．
②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，则会导致排放气体中NO 含量升高；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）某化肥厂用NH₃制备NH₄NO₃．已知：由NH₃制NO的产率是95%，NO制HNO₃的产率是90%，则制HNO₃所用的NH₃的质量占总耗NH₃质量的53.9%（保留三位有效数值）．

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2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；
（2）工业上在合成氨的过程中，为防止催化剂中毒，必须对原料进行净化；
（3）①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；
②若n（NO）：n（NO₂）＞1：1，则一氧化氮过量，若＜1：1，则二氧化氮过量；
（4）根据氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，以此计算．

解答 解：（1）工业合成氨的原料是N₂和H₂，合成氨的设备依次有：压缩机、合成塔、冷凝器、氨分离器、循环压缩机，装置A为合成塔，在其中为压缩的氮气和氢气反应生成氨气，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，
故答案为：合成塔；液化；蒸馏或控制N₂的沸点加热蒸发；CH₄+H₂O（g） CO+3H₂；
（2）工业上在合成氨的过程中，必须对原料进行净化，防止催化剂铁触媒中毒，而减小催化活性，
故答案为：防止催化剂中毒；
（3）①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，
故答案为：使尾气中NO、NO₂被充分吸收；Ca（OH）₂；
②若n（NO）：n（NO₂）＞1：1，则一氧化氮过量，排放气体中NO含量升高；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：排放气体中NO含量升高；产品Ca（NO₂）₂中Ca（NO₃）₂含量升高；
（4）由NH₃制NO的产率是95%、NO制HNO₃的产率是90%，根据氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，则1mol氨气可得到硝酸1mol×95%×90%=0.855mol，由HNO₃+NH₃═NH₄NO₃，则该反应消耗的氨气的物质的量为0.855mol，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 $\frac{1mol}{1mol+0.855mol}$×100%=53.9%；即制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的53.9%，
故答案为：53.9．

点评 本题通过合成上氨及氨氧化法制硝酸为载体，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，考查学生对新信息的处理能力，注意对元素化合物性质及其转化关系的理解和应用，题目难度中等．