Question

3．工业上以N₂、H₂为原料抽取硝酸铵的流程如图1所示．

回答下列问题：
（1）氨合成塔适宜的压强是20～50MPa，如果压强过大，除对设备要求高外，还会导致的结果压碎催化剂，缩短催化剂寿命；
（2）合成硝酸的吸收塔内填充瓷环，其作用是增大气液接触面积，吸收塔中还需补充空气的目的是可使NO全部转化成HNO₃；
（3）若输送NH₃的管道某处发生泄漏，检测的简单方法为用湿润的红色石蕊试纸检测，试纸变蓝的位置即是氨气泄漏处；
（4）在一定温度和压强的密闭容器中，将物质的量之比为3：2的H₂和N₂混合，当该反应达到平衡时，测出平衡混合气中氨的体积分数为25%，此时H₂的转化率为50%；
（5）制硝酸氧化炉中氨气和氧气在145℃就开始反应，在不同温度和催化剂条件下生成不同产物（如图2所示）．温度较低时以生成N₂为主，900℃时发生主要反应的化学方程式为4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O，当温度高于900℃时，NO产率明显下降的原因是生成NO的反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，NO的产率下降；
（6）若N₂、H₂合成氨时，H₂的转化率为60%，NH₃催化氧化制HNO₃时的损失20%的氨，其它环节的损失忽略不计．则10tH₂最多可以制取71.1t．

Answer 1

分析 （1）氨合成反应是气体体积减小的放热反应，在氨合成塔适宜的压强是20～50MPa，如果压强过大，除对设备要求高外，还会导致的结果是压碎催化剂，缩短催化剂寿命；
（2）合成硝酸的吸收塔内填充瓷环，其作用是增大气液接触面积，吸收塔中还需补充空气的目的是可使NO全部转化成HNO₃；
（3）若输送NH₃的管道某处发生泄漏，由于氨气的水溶液显碱性，会使湿润的红色石蕊试纸变为蓝色，所以用湿润的红色石蕊试纸检测；
（4）在一定温度和压强的密闭容器中，将物质的量之比为3：2的H₂和N₂混合，当该反应达到平衡时，测出平衡混合气中氨的体积分数为25%，假设反应的N₂的体积是x，则反应的氢气的体积是3x，反应产生的NH₃的体积是2x，按照三段法计算转化率；
（5）制硝酸氧化炉中氨气和氧气在145℃就开始反应，在不同温度和催化剂条件下生成不同产物，根据图示可知，在温度较低时以生成N₂为主，900℃时氨气被氧化产生NO，发生主要反应的化学方程式为4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O；当温度高于900℃时，NO产率明显下降的原因是生成NO的反应为放热反应，升高温度，化学平衡向吸热的逆反应方向移动，使反应物NH₃转化率下降；
（6）N₂、H₂合成氨时，N₂+3H₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$2NH₃，根据上述分析利用化学方程式计量数计算，详细见解答．

解答 解：（1）氨合成反应是气体体积减小的放热反应，在氨合成塔适宜的压强是20～50MPa，如果压强过大，除对设备要求高外，还会导致的结果是压碎催化剂，缩短催化剂寿命，
故答案为：压碎催化剂，缩短催化剂寿命；
（2）合成硝酸的吸收塔内填充瓷环，其作用是增大气液接触面积，吸收塔中还需补充空气的目的是可使NO全部转化成HNO₃，
故答案为：增大气液接触面积；可使NO全部转化成HNO₃；
（3）若输送NH₃的管道某处发生泄漏，由于氨气的水溶液显碱性，会使湿润的红色石蕊试纸变为蓝色，所以用湿润的红色石蕊试纸检测，试纸变蓝的位置即是氨气泄漏处，
故答案为：用湿润的红色石蕊试纸检测，试纸变蓝的位置即是氨气泄漏处；
（4）在一定温度和压强的密闭容器中，将物质的量之比为3：2的H₂和N₂混合，当该反应达到平衡时，测出平衡混合气中氨的体积分数为25%，假设反应的N₂的体积是x，则反应的氢气的体积是3x，反应产生的NH₃的体积是2x，此时H₂的物质的量是（3-3x），N₂是（2-x），所以2x÷[2x+（3-3x）+（2-x）]=25%，解得x=0.5，所以此时H₂的转化率为（3×0.5）÷3=50%，
故答案为：50%；
（5）制硝酸氧化炉中氨气和氧气在145℃就开始反应，在不同温度和催化剂条件下生成不同产物，根据图示可知，在温度较低时以生成N₂为主，900℃时氨气被氧化产生NO，发生主要反应的化学方程式为4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O；当温度高于900℃时，NO产率明显下降的原因是生成NO的反应为放热反应，升高温度，化学平衡向吸热的逆反应方向移动，使反应物NH₃转化率下降，
故答案为：N₂；4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O；生成NO的反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，NO的产率下降；    
（6）N₂、H₂合成氨时，N₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$2NH₃；H₂的转化率为60%，10tH₂的物质的量是n（H₂）=5×10⁶mol；合成氨气的物质的量是n（NH₃）=5×10⁶mol×60%×2/3=2×10⁶mol；假设用于催化氧化制HNO₃的氨的物质的量是x，由于氨的损失20%，所以产生的硝酸的物质的量是（1-20%）x，与硝酸反应的氨的物质的量是（1-20%）x，（1-20%）x+x=2×10⁶mol，x=1.11×10⁶mol，反应产生的硝酸铵的质量是m（NH₄NO₃）=（1-20%）x×80g/mol=1.11×10⁶mol×80%×80g/mol=71.1×10⁶g=71.1吨，
故答案为：71.1．

点评 本题主要考查了工业合成氨与制备硝酸，同时考查了化学平衡计算，综合性较强，题目难度中等，正确理解各物质之间的反应是解题的关键，对学生分析问题和解决问题的能力要求较高．