Question

某化肥厂以氨和空气（其中氧气的体积分数为0.2）为原料生产硝酸铵过程如下：

其中反应①为4NH₃+5O₂

催化剂  .

4NO+6H₂O
（1）步骤②中发生了两个反应，将这两个化学方程式合并为一个化学方程式，可表示为

 

．
（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，则原料气中氨（包括第③步被硝酸吸收的氨）的体积分数最大值为

 

．
（3）假设实际生产中，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%，则合成硝酸铵的整个流程中，氨的总利用率是多少？

 

．

Answer 1

分析：（1）依据反应②发生的反应2NO+O₂ =2NO₂和3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，消元即可解答；
（2）依据反应4NH₃+5O₂

催化剂  .

4NO+6H₂O①4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃ ②NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ③消元即可解答；
（3）根据氮原子守恒和含氮物质的利用率进行解答，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x mol，反应①、②中生成的硝酸为abx mol；假设第①步参加反应的氨气的物质的量为4mol，生成硝酸的物质的量4abmol；

解答：解：（1）反应②涉及这样几步反应：2NO+O₂ =2NO₂ A，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO  B，A×3+B×2，消去中间物NO₂，得：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，
故答案为：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；
（2）整个过程包括这样几步反应：4NH₃+5O₂

催化剂  .

4NO+6H₂O①4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃ ②
NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ③，将①+②+③×4，约简得：2NH₃+2O₂=NH₄NO₃ +H₂O
由n（NH₃）：n（O₂）=1：1 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

（或16.7%）；    
（3）解法一：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x mol，被HNO₃吸收的NH₃的物质的量为ymol，反应①、②中生成的硝酸为abxmol，NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ，abx=cy，则：x+y=1、abx=cy，解得：x=

c

ab+c

，y=

ab

ab+c

，氨的总利用率=

xab+yc

1

=

2abc

ab+c

；
解法二：假设第①步参加反应的氨气的物质的量为4mol，反应①、②中含氮物质的利用率分别为a、b，则：生成硝酸的物质的量4abmol，NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ，反应③中氨的利用率为c，第③步需要氨气的物质的量为

4ab

c

mol；
氨的总利用率=

4ab+4ab

4+ 4ab c

=

2abc

ab+c

；
故答案为：

2abc

ab+c

；

点评：本题考查了以硝酸的工业制备流程背景下的化学计算，关键是依据各生产原料和产物间的关系，将方程式当作代数式进行相应的消元，构建目标物质的关系，题目难度中等．