Question

【題目】[化學 選修2：化學與技術]

銨鹽是重要的化工原料，以N2和H2為原料制取硝酸銨的流程圖如下，請回答下列問題：

（1）在上述流程圖中，B設備的名稱是 ，其中發生反應的化學方程式為 。

（2）在上述工業生產中，N2與H2合成NH3的催化劑是 。1909年化學家哈伯在實驗室首次合成了氨，2007年化學家格哈德·埃特爾在哈伯研究所證實了氫氣與氮氣在固體催化劑表面合成氨的反應過程，示意圖如下：

分別表示N2、H2、NH3 。圖⑤表示生成的NH3離開催化劑表面，圖②和圖③的含義分別是 、 。

（3）NH3和CO2在一定條件下可合成尿素，其反應為：2NH3(g)+CO2(g) CO( NH2)2(s)+H2O(g)

右圖表示合成塔中氨碳比a與CO2轉化率ω的關系。a為[n(NH3)/n(CO2)]，b為水碳比[n(H2O)/n(CO2)]。則：

①b應控制在 ； A．1.5．1.6 B．1～1.1 C．0.6～0.7

②a應控制在4.0的理由是 。

（4）在合成氨的設備（合成塔）中，設置熱交換器的目的是 ；在合成硝酸的吸收塔中通入空氣的目的是 。

（5）生產硝酸的過程中常會產生一些氮的氧化物，可用如下兩種方法處理：

堿液吸收法：NO+NO2+2NaOH＝2NaNO2+H2O

NH3還原法：8NH3+6NO27N2+12H2O（NO也有類似的反應）

以上兩種方法中，符合綠色化學的是 。

（6）某化肥廠用NH3制備NH4NO3。已知：由NH3制NO的產率是96%、NO制HNO3的產率是92%，則制HNO3所用去的NH3的質量占總耗NH3質量（不考慮其它損耗）的 %。

Answer 1

【答案】（1）氧化爐

（2）鐵砂網（或鐵） N2、H2被吸附在催化劑表面； 在催化劑表面，N2、H2中化學鍵斷裂

（3）①C ②a等于4.0，CO2轉化率迅速提高到最大值，而a在4.0之后增大，c(NH3)轉化率無明顯增大。

（4）利用余熱，節約能源；可使NO循環利用，全部轉化成HNO3

（5）NH3還原法

（6）53

【解析】

試題分析：（1）在上述工業制硝酸的生產中，B設備是進行氨的催化氧化反應，在氧化爐中進行；發生反應的方程式為：4NH3+5O24NO+6H2O；（2）在上述工業生產中，N2與H2合成NH3的催化劑是鐵砂網氮；氮氣氣、氫氣在催化劑表面合成氨反應過程的順序為：圖①氮氣分子和氫氣分子向催化劑表面靠近，圖②氮氣和氫氣吸附在催化劑的表面，圖③在催化劑的作用下分解成氫原子和氮原子，圖④表示氮原子與氫原子重新結合成氨分子，圖⑤生成的氨氣離開催化劑表面，故答案為：鐵砂網；N2、H2被吸附在催化劑表面；在催化劑表面，N2、H2中化學鍵斷裂；（3）①由圖可知，水碳比[n（H2O）：n（CO2）]b的值越小，則CO2轉化率ω越大，故b應控制在0.6～0.7，故選C；②a控制在4.0時，CO2轉化率ω已經達到較高的值，而繼續提高氨碳比[n（NH3）：n（CO2）]，CO2轉化率ω無明顯提高，故控制在4.0，故答案為：a等于4.0，CO2轉化率迅速提高到最大值；而a在4.0之后增大，CO2轉化率無明顯增大；

（4）合成氨的反應屬于放熱反應，反應過程中會放出大量的熱，用熱交換器可以充分利用余熱，節約能源；在吸收塔中二氧化氮與水反應生成硝酸和NO，通入空氣，NO能被空氣中的氧氣氧化為二氧化氮，二氧化氮再與水反應生成硝酸，這樣使NO循環利用，全部轉化為硝酸；故答案為：利用余熱，節約能源；可使NO循環利用，全部轉化成HNO3；（5）堿液吸收法：NO+NO2+2NaOH═2NaNO2+H2O，NH3還原法：8NH3+6NO2 7N2+12H2O，分析可知堿液吸收法消耗大量的氫氧化鈉生成的亞硝酸鹽毒，NH3還原法產物無污染，得到合成氨的原料氣，故符合綠色化學的是氨氣還原法，故答案為：NH3還原法；（6）根據氮原子守恒可知，NH3～NO～HNO3，則1mol氨氣可得到硝酸的物質的量為：1mol×96%×92%=0.8832mol，根據HNO3+NH3═NH4NO3可知反應消耗的氨氣的物質的量為：0.8832mol，

氨氣的質量之比等于物質的量之比，則制HNO3所用去的NH3的質量占總耗NH3質量的百分數為：

1mol÷（1mol+0,8832mol）×100%≈53%.