Question

2．氨、硝酸、硝酸铵、硝酸铜是重要的化工产品，工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如图1，请回答下列问题：

（1）吸收塔中通入空气的作用是提供O₂将NO、NO₂氧化为HNO₃；下列可以代替硝酸镁加入到蒸馏塔中的是A．
A．浓硫酸        B．氯化钙        C．生石灰      D．硝酸亚铁
（2）制硝酸尾气中的氮氧化物常用尿素[CO（NH₂）₂]作为吸收剂，其主要的反应为：NO、NO₂混合气与水反应生成亚硝酸，亚硝酸再与尿素[CO（NH₂）₂]反应生成CO₂和N₂，反应的化学方程式为NO+NO₂+H₂O=2HNO₂、2HNO₂+CO（NH₂）₂=CO₂↑+2N₂↑+3H₂O．
（3）在氧化炉里，催化剂存在时氨气和氧气反应：4NH₃+5O₂?4NO+6H₂O，4NH₃+3O₂?2N₂+6H₂O 在不同温度时生成产物如图2所示．在氧化炉里，反应温度通常控制在800℃～900℃的理由是在此温度范围里，主产物NO的产率较高．

（4）如图3所示装置可用于电解NO制备 NH₄NO₃，电解总反应方程式为8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，需补充氨气的理由是与电解产生的HNO₃反应生成NH₄NO₃．
（5）工业上通常用铜与浓硝酸反应制得光谱纯硝酸铜晶体（化学式为Cu（NO₃）₂•3H₂O，摩尔质量为242g/mol）．已知：25℃、1.01×10⁵Pa时，在密闭容器发生反应：2NO₂?N₂O₄，达到平衡时，c（NO₂）=0.0400mol/L，c（N₂O₄）=0.0100mol/L．现用一定量的Cu与足量的浓高纯度硝酸反应，制得5.00L已达到平衡的N₂O₄和NO₂的混合气体（25℃、1.01×10⁵Pa），理论上生成光谱纯硝酸铜晶体的质量为36.3g．

Answer 1

分析 工业制硝酸的流程图分析如下：1．在合成塔中，N₂与H₂化合生成NH₃；2．将NH3和空气通入氧化炉里反应生成NO、NO₂ 3．将混合气体通入吸收塔中，空气中的O₂将NO氧化为NO₂，并与H₂O、NO₂反应生成HNO₃ 4．最后将生成的HNO₃通入蒸馏塔中，加入硝酸镁进行浓缩，从而制得浓硝酸．

解答 解：（1）吸收塔主要吸收二氧化氮生成硝酸．另外从氧化炉里过来的气体中有NO，通入空气，可以将NO氧化为NO₂，然后再与NO₂、H₂O反应生成HNO₃；加入硝酸镁的作用是吸收水，而且不与硝酸反应，从而达到浓缩的目的．可以用浓硫酸来代替，既可以吸收水分，不易挥发，也不与硝酸反应．
故答案为：将NO、NO₂等氧化为硝酸；A；
（2）由反应物和产物及质量守恒定律可知发生的反应为NO+NO₂+H₂O=2HNO₂、CO（NH₂）₂+2HNO₂═CO₂↑+2N₂↑+3H₂O，
故答案为：NO+NO₂+H₂O=2HNO₂；CO（NH₂）₂+2HNO₂═CO₂↑+2N₂↑+3H₂O；
（3）由所给图表，发现在800～900℃时，主产物NO的产率很高，而副产物N₂的产率很低，
故答案为：800～900℃时副产物N₂的产率较低，NO的产率很高；
（4）电解NO制备NH₄NO₃，阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，阴极反应为NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，从两极反应可看出，要使得失电子守恒，阳极产生的NO₃^-的物质的量大于阴极产生的NH₄⁺的物质的量，总反应方程式为：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此要使电解产物全部转化为NH₄NO₃，需补充NH₃．
故答案为：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃；将电解过程中生成的硝酸转化为硝酸铵；
（5）根据达到平衡时，c（NO₂）=0.0400mol/L，c（N₂O₄）=0.0100mol/L，故5L混合气体中的NO₂的物质的量n=CV=0.04mol/L×5L=0.2mol，
N₂O₄的物质的量n=CV=0.01mol/L×5L=0.05mol．
设反应物铜的物质的量为xmol，根据铜与浓硝酸反应时得失电子数守恒，即铜失去的电子的物质的量等于硝酸得到的电子的物质的量，可得：
2x=0.2mol×1+0.05mol×2
解得x=0.15mol
而Cu～Cu（NO₃）₂•3H₂O，故生成的Cu（NO₃）₂•3H₂O的物质的量为0.15mol，故质量m=nM=0.15mol×242g/mol=36.3g，
故答案为：36.3．

点评 本题考查了工业合成氨与制备硝酸、化学方程式的书写、电解原理的应用、守恒方法在化学计算中的应用的知识，题目综合性较强，难度中等，侧重于考查学生的分析能力和计算能力、以及对基础知识的综合应用能力．