Question

7．工业上制取硝酸铵的流程图如下，请回答下列问题．
（1）合成氨的工业设备名称是合成塔，设备中设置热交换器的目的是利用余热，节约能源；此生产过程中，N₂与H₂合成NH₃所用的催化剂是铁砂网；生产中原料气必须进行脱硫，目的是防止催化剂中毒．
（2）1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨，2007年化学家格哈德•埃特尔在哈伯研究所证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程，示意图如下：

●-●、○-○、分别表示N₂、H₂、NH₃．图⑤表示生成的NH₃离开催化剂表面，图②和图③的含义分别是N₂、H₂被吸附在催化剂表面、在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂．
（3）吸收塔中反应为4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；从生产流程看，吸收塔中需要补充空气，其原因是使NO循环利用，全部转化为硝酸．
（4）生产硝酸的过程中常会产生一些氮的氧化物，可用如下三种方法处理：
方法一：碱液吸收法：NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O；2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂；
方法二：NH₃还原法：8NH₃+6NO₂    7N₂+12H₂O（NO也有类似的反应）
方法三：甲烷吸收法：CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+N₂（g）+2H₂O（g）△H=+867kJ•mol^-1（NO也有类似的反应）．
上述三种方法中方法一最大的缺点是单独的NO不能被吸收；方法三和方法二相比，优点是甲烷比氨价格便宜，缺点是耗能高．
（5）某化肥厂用NH₃制备NH₄NO₃．已知：由NH₃制NO的产率是94%、NO制HNO₃的产率是89%，则制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量（不考虑其它损耗）的54.4%．

Answer 1

分析 （1）合成氨的工业设备是合成塔；合成氨的反应属于放热反应；N₂与H₂合成NH₃所用的催化剂是铁砂网；生产中应防止催化剂中毒；
（2）图②中两种双原子分子被吸附在催化剂表面，即N₂、H₂被吸附在催化剂表面；③中分子中的化学键断裂生成原子，即在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂生成N原子和H原子；
（3）在吸收塔中二氧化氮与水反应生成硝酸和NO，通入空气，NO能被空气中的氧气氧化为二氧化氮，二氧化氮再与水反应生成硝酸，这样使NO循环利用，全部转化为硝酸；
（4）方法一最大的缺点是单独的NO不能被吸收，只能与NO₂一起被碱液吸收；方法三和方法二相比，优点是甲烷比氨价格便宜；缺点是方法三的耗能较高；
（5）根据氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，以此计算．

解答 解：（1）合成氨的工业设备是合成塔；合成氨的反应属于放热反应，反应过程中会放出大量的热，用热交换器可以充分利用余热，节约能源；N₂与H₂合成NH₃所用的催化剂是铁砂网；生产中原料气必须进行脱硫可以防止催化剂中毒；
故答案为：合成塔；利用余热，节约能源；铁砂网；防止催化剂中毒；
（2）图②中两种双原子分子被吸附在催化剂表面，即N₂、H₂被吸附在催化剂表面；③中分子中的化学键断裂生成原子，即在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂生成N原子和H原子；
故答案为：N₂、H₂被吸附在催化剂表面；在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂；
（3）在吸收塔中二氧化氮与水反应生成硝酸和NO，通入空气，NO能被空气中的氧气氧化为二氧化氮，二氧化氮再与水反应生成硝酸，这样使NO循环利用，全部转化为硝酸，反应的化学方程式为4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；
故答案为：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；使NO循环利用，全部转化为硝酸；
（4）方法一最大的缺点是单独的NO不能被吸收，只能与NO₂一起被碱液吸收；方法三和方法二相比，优点是甲烷比氨价格便宜，节约成本；缺点是方法三的反应热为+867kJ•mol^-1，耗能较高；
故答案为：单独的NO不能被吸收；甲烷比氨价格便宜；耗能高；
（5）由NH₃制NO的产率是94%、NO制HNO₃的产率是89%，根据氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，则1mol氨气可得到硝酸1mol×94%×89%=0.8366mol，由HNO₃+NH₃═NH₄NO₃，则该反应消耗的氨气的物质的量为0.8366mol，氨气的质量之比等于物质的量之比，则制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的百分数为 $\frac{1mol}{1mol+0.8366mol}$×100%=54.4%；即制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的54.4%，
故答案为：54.4．

点评 本题考查了工业制备原理应用，流程分析，实验制备物质的分析判断，利用物质的转化及质量守恒的方法来进行简单计算，使用硝酸铵的注意事项，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，题目难度中等．