Question

5．联合生产是实现节能减排的重要措施，工业上合成氨和硝酸的联合生产具有重要的意义．下面是工业上合成氨的简易流程：

（1）设备A中含有电加热器，触媒和热交换器，设备A的名称是合成塔，其中发生的化学反应方程式为N₂+3H₂$?_{催化剂}^{高温高压}$2NH₃；
（2）设备B的名称是冷却塔（或冷凝器），其中m和n是两个通水口，入水口是n
（填“m”或“n”）；不宜从相反方向通水的原因是高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好；
（3）设备C的作用是防止催化剂中毒．
（4）原料气中往往含有CO等杂质，在进行反应前要先净化，净化的原因是防止催化剂中毒．
（5）氮气和氢气的混合气体通过压缩机压缩的原因是增大压强，加快反应速率，使平衡朝生成NH₃的方向进行．
（6）生产出来的NH₃可以用来生产硝酸．在制备硝酸的过程中，由于二氧化氮不能一次性被水完全吸收，因此生成的气体须经过多次氧化、吸收的循环操作，使其充分转化为硝酸（不考虑生产过程中的其它损失）．
①从理论上分析，要使氨气完全转化为硝酸，则原料中氧气和氨气物质的量的投料比至少为1：2．
②如果按理论上的原料比将原料放在特定条件的密闭容器中进行反应，所有物质不与外界交换，则最后所得溶液的质量分数为77.8%．（保留三位有效数字）

Answer 1

分析 （1）根据图示可知，设备A为合成塔、B为冷凝器或冷凝塔；工业合成氨中合成塔中的反应为氮气和氢气在高温高压条件下生成氨气，据此写出反应的化学方程式；
（2）设备B为冷凝塔；根据采用逆流的方式冷却效果好解答；
（3）设备C是分离塔，将生成氨气及时分离出来，有利于平衡正向移动；
（4）在原料气制备过程中混有CO对催化剂有毒害作用，需要去原料气中的CO；
（5）根据增大压强和减少生成物对反应速率或是平衡移动的影响知识来回答；
（6））①根据反应方程式中氨气和氧气关系判断；
②由4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO+6H₂O、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，可得：NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O，根据方程计算．

解答 解：（1）氮气和氢气经过压缩、除油后进入合成塔合成氨气，所以A为合成塔；工业合成氨中合成塔中的反应为：氮气和氢气在高温高压条件下生成氨气，反应方程式为：N₂+3H₂$?_{催化剂}^{高温高压}$2NH₃，
故答案为：合成（氨）塔；N₂+3H₂$?_{催化剂}^{高温高压}$2NH₃；
（2）从合成塔出来的气体温度较高，需要先降温再吸收，则B为冷却塔（或冷凝器）；一元高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好，所以入水口为n，
故答案为：冷却塔（或冷凝器）；n；高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好；
（3）设备C是分离塔，将生成的液态氨气与未反应的原料气分离，氨气不断被液化分离，减小氨气的浓度，促使平衡不断正向移动，提高原料的利用率，
故答案为：分离液氨和未反应的原料气；
（4）原料气中的H₂S、CO、CO₂等杂质容易造成催化剂中毒，降低催化效果，所以必须将原料气中往往含有的H₂S、CO、CO₂等杂质除去，防止催化剂中毒，
故答案为：防止催化剂中毒；
（5）氮、氢混合气体送入合成塔前要通过压缩机压缩，来增大压强，这样可以加快化学反应速率，还可以让化学平衡朝生成NH₃的方向进行，
故答案为：增大压强，加快反应速率，使平衡朝生成NH₃的方向进行；
（6）①由4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO+6H₂O、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃可得：NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O，则原料氨气和氧气物质的量的投料比为1：2，
故答案为：1：2；
②由4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO+6H₂O、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃可得：NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O，则按理论上的原料比将原料放在一个具有反应条件的密闭容器中进行，所有物质不与外界交换，则生成1molHNO₃、molH₂O，则硝酸的质量分数为：$\frac{63}{63+18}$×100%=77.8%，
故答案为：77.8%．

点评 本题以工业合成氨的知识，题目难度中等，根据合成流程明确合成原理为解答关键，注意了解工业合成氨的设备名称及影响化学平衡的因素，试题培养了学生的分析、理解能力及灵活应用能力．