Question

15．工业上用NH₃制取HNO₃的工艺流程如图所示：

请回答下列问题：
（1）上述流程中循环使用的物质是NO．
（2）尾气中含有NO、NO₂（物质的量之比为1：1）可用Ca（OH）₂吸收以获取亚硝酸钙，其反应的化学方程式是NO+NO₂+Ca（OH）₂=Ca（NO₃）₂+H₂O．
（3）下列可以代替Ca（NO₃）₂加入到蒸馏塔中的物质可能是AB．
A．Mg（NO₃）₂        B．浓H₂SO₄       C．CaC1₂     D．Fe（NO₃）₂
（4）以偏二甲肼（C₂N₂H₈）、NO₂为原料的酸性燃料电池（两极产物均为N₂），正极反应式是2NO₂+8e^-+8H⁺=N₂+4H₂O．
（5）己知：4NH₃（g）+5O₂（g）=4NO（g）+6H₂O（l）△H₁=a kJ/mol
2NO（g）+O₂（g）=2NO₂（g）△H₂=b kJ/mol
NH₃（g）+2O₂（g）=HNO₃（D+H₂O（1）△H₃=ckJ/mol
则NO₂（g）在吸收塔中反应生成HNO₃（l）的热化学方程式是
（6）用NH₃制NH₄NO₃．
①制HNO₃：假设氧化炉中NH₃的氧转化率为a，转化室中NO转化率为b，吸收塔中NO₂吸收率为c；
②制NH₄NO₃：用生成的HNO₃与NH₃反应制NH₄NO₃，其利用率为d．
则用NH₃制NH₄NO₃的整个过程中，NH₃的总转化率是$\frac{2abcd}{1+abc}$．

Answer 1

分析 用NH₃制取HNO₃的工艺流程：氨气在氧化炉中，催化氧化反应生成一氧化氮和水，反应的化学方程式为：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O；在转化室中：NO与O₂反应生成红棕色的二氧化氮气体，2NO+O₂=2NO₂；吸收塔内：3NO₂+H₂O═2HNO₃+NO，NO循环至转化室内，加入硝酸钙除水，蒸馏得到浓硝酸．
（1）根据生产流程图中的物质，找出反应物与生成物，然后分析生成物中的物质被用作反应物的即为可循环利用的物质；
（2）发生反应为归中反应，根据N元素的化合价可知应生成Ca（NO₂）₂，据此书写方程式；
（3）根据Ca（NO₃）₂在蒸馏塔中的作用分析，Ca（NO₃）₂起吸水浓缩硝酸的作用；
（4）原电池正极发生还原反应，二氧化氮得到电子生成氮气；
（5）4NH₃（g）+5O₂（g）=4NO（g）+6H₂O（l）△H₁=a kJ/mol①
2NO（g）+O₂（g）=2NO₂（g）△H₂=b kJ/mol②
NH₃（g）+2O₂（g）=HNO₃（D+H₂O（1）△H₃=ckJ/mol③
根据盖斯定律，③×2-$\frac{①}{2}$-$\frac{3}{2}$×②得到目标方程式，反应热与计量数成正比；
（6）利用氮原子守恒计算，NH₃的总转化率=$\frac{转化的氮}{参加反应的氮}$．

解答 解：（1）吸收塔内：3NO₂+H₂O═2HNO₃+NO，在转化室中：NO与O₂反应生成红棕色的二氧化氮气体，2NO+O₂=2NO₂；所以NO为循环使用的物质，
故答案为：NO；
（2）尾气中含有NO（N元素+2价）、NO₂（N元素+4）（物质的量之比为1：1）用Ca（OH）₂吸收，发生氮元素价态归中反应，生成Ca（NO₂）₂（N元素+3价），所以反应为：NO+NO₂+Ca（OH）₂=Ca（NO₂）₂+H₂O，
故答案为：NO+NO₂+Ca（OH）₂=Ca（NO₂）₂+H₂O；
（3）Ca（NO₃）₂起吸水浓缩硝酸的作用，几乎不溶于浓硝酸，Mg（NO₃）₂、浓H₂SO₄ 几乎不溶于浓硝酸，起吸水浓缩硝酸的作用，CaC1₂能干燥但溶于浓硝酸，Fe（NO₃）₂不起吸水干燥作用，故选AB，
故答案为：AB；
（4）以偏二甲肼（C₂N₂H₈）、NO₂为原料的酸性燃料电池（两极产物均为N₂），正极为二氧化氮得到电子生成氮气，电极反应方程式为：2NO₂+8e^-+8H⁺=N₂+4H₂O，
故答案为：2NO₂+8e^-+8H⁺=N₂+4H₂O；
（5）4NH₃（g）+5O₂（g）=4NO（g）+6H₂O（l）△H₁=a kJ/mol①
2NO（g）+O₂（g）=2NO₂（g）△H₂=b kJ/mol②
NH₃（g）+2O₂（g）=HNO₃（D+H₂O（1）△H₃=ckJ/mol③
根据盖斯定律，③×2-$\frac{①}{2}$-$\frac{3}{2}$×②得到目标方程式，3NO₂（g）+H₂O（1）=2HNO₃（aq）+NO（g）反应热与计量数成正比，所以△H=（2c-$\frac{a}{2}$-$\frac{3b}{2}$）kJ/mol，则NO₂（g）在吸收塔中反应生成HNO₃（l）的热化学方程式是3NO₂（g）+H₂O（1）=2HNO₃（aq）+NO（g）△H=（2c-$\frac{a}{2}$-$\frac{3b}{2}$）kJ/mol，
故答案为：3NO₂（g）+H₂O（1）=2HNO₃（aq）+NO（g）△H=（2c-$\frac{a}{2}$-$\frac{3b}{2}$）kJ/mol；
（6）设制硝酸的氨气的物质的量为1，氧化炉中NH₃的氧转化率为a，转化室中NO转化率为b，吸收塔中NO₂吸收率为c；根据氮原子守恒，制得得HNO₃的物质的量为1×abc，用生成的HNO₃与NH₃反应制NH₄NO₃，其利用率为d．HNO₃+NH₃=NH₄NO₃，需氨气1×abc，制得的硝酸铵为abcd，则NH₃的总转化率是：$\frac{2abcd}{1+abc}$，
故答案为：$\frac{2abcd}{1+abc}$．

点评 本题考查了用NH₃制取HNO₃工业制备原理应用，流程分析，利用物质的转化及质量守恒的方法来进行计算，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，（6）参加反应的氮为（1+abc）为易错点，题目难度中等．