Question

9．氨、硝酸、硝酸铵、硝酸铜是重要的化工产品．工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如图1：请回答下列问题
（1）吸收塔中通入空气的作用是将NO、NO₂等氧化为硝酸．
下列可以代替硝酸镁加入到蒸馏塔中的是A．
A．浓硫酸B．氯化钙 C．生石灰  D．硝酸亚铁
（2）制硝酸尾气中的氮氧化物常用尿素[CO（NH₂）₂]作为吸收剂，其主要的反应为：NO、NO₂混合气与水反应生成亚硝酸，亚硝酸再与尿素[CO（NH₂）₂]反应生成CO₂和N₂，请写出反应的化学方程式NO+NO₂+H₂O=2HNO₂、CO（NH₂）₂+2HNO₂=CO₂+2N₂+3H₂O．
（3）在氧化炉里，催化剂存在时氨气和氧气反应：4NH₃+5O₂?4NO+6H₂O   4NH₃+30₂?2N₂+6H₂O 在不同温度时生成产物如图一所示．在氧化炉里，反应温度通常控制在800℃～900℃的理由是800～900℃时副产物N₂的产率较低，NO的产率很．
（4）如图二所示装置可用于电解NO制备 NH₄NO₃，电解总反应方程式为8NO+7H₂O $\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，需补充氨气的理由是将电解过程中生成的硝酸转化为硝酸铵．
（5）工业上通常用铜与浓硝酸反应制得光谱纯硝酸铜晶体（化学式为Cu（NO₃）₂•3H₂O，摩尔质量为242g/mol）．已知：25℃、1.01×10⁵Pa时，在密闭容器发生反应：2NO₂?N₂O₄，达到平衡时，c（NO₂）=0.0400mol/L，c（N₂O₄）=0.0100mol/L．
现用一定量的Cu与足量的浓高纯度硝酸反应，制得5.00L已达到平衡的N₂O₄和NO₂的混合气体（25℃、1.01×10⁵Pa），理论上生成光谱纯硝酸铜晶体的质量为36.3 g．

Answer 1

分析 （1）吸收塔中通入空气的作用是利用氧气将NO、NO₂等氧化为硝酸；硝酸镁加入到蒸馏塔中作吸水剂据此分析；
（2）尾气中的氧化物主要为NO、NO₂，由题目信息可知，二者与水反应生成亚硝酸，亚硝酸再与尿素反应生成CO₂和N₂，然后配平；
（3）由图可知，在800℃～900℃时，NO的产率很高；
（4）工业上电解NO制备 NH₄NO₃，由装置图可知阳极发生氧化反应，NO被氧化生成NO₃^-，阴极发生还原反应，NO被还原生成NH₄⁺，阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，结合电极方程式解答该题．
（5）根据达到平衡时，c（NO₂）=0.0400mol/L，c（N₂O₄）=0.0100mol/L，求出5L混合气体中N₂O₄和NO₂的物质的量，然后根据在氧化还原反应中得失电子数守恒，求出反应掉的铜的物质的量，即可求出生成光谱纯硝酸铜晶体的物质的量和质量．

解答 解：（1）吸收塔中通入空气的作用是利用空气中的氧气将NO、NO₂等氧化为硝酸；硝酸镁加入到蒸馏塔中作吸水剂，浓硫酸能吸水，而且难挥发，所以选用浓硫酸，
故答案为：将NO、NO₂等氧化为硝酸，A；
（2）由题目信息可知，NO、NO₂二者混合物与水反应生成亚硝酸，反应方程式为NO+NO₂+H₂O=2HNO₂；
亚硝酸再与尿素反应生成CO₂和N₂，反应方程式为CO（NH₂）₂+2HNO₂═CO₂↑+2N₂↑+3H₂O，
故答案为：NO+NO₂+H₂O=2HNO₂；CO（NH₂）₂+2HNO₂═CO₂↑+2N₂↑+3H₂O．
（3）由图可知，在800℃～900℃时，副产物N₂的产率较低，而NO的产率很高，
故答案为：800～900℃时副产物N₂的产率较低，NO的产率很高；
（4）电解NO制备NH₄NO₃，阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，从两极反应可看出，要使得失电子守恒，阳极产生的NO₃^-的物质的量大于阴极产生的NH₄⁺的物质的量，总反应方程式为：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，补充氨气能将电解过程中生成的硝酸转化为硝酸铵，
故答案为：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，将电解过程中生成的硝酸转化为硝酸铵；
（5）根据达到平衡时，c（NO₂）=0.0400mol/L，c（N₂O₄）=0.0100mol/L，故5L混合气体中的NO₂的物质的量n=CV=0.04mol/L×5L=0.2mol，N₂O₄的物质的量n=CV=0.01mol/L×5L=0.05mol．
设反应掉的铜的物质的量为Xmol，根据铜与浓硝酸反应时得失电子数守恒，即铜失去的电子的物质的量等于硝酸得到的电子的物质的量，可得：
2X=0.2mol×1+0.05mol×2
解得X=0.15mol
而Cu～Cu（NO₃）₂•3H₂O，故生成的Cu（NO₃）₂•3H₂O的物质的量为0.15mol，故质量m=nM=0.15mol×242g/mol=36.3g，
故答案为：36.3g．

点评 本题考查了反应条件的控制、工业合成氨与制备硝酸、化学方程式的书写、电解原理的应用、守恒方法在化学计算中的应用的知识，题目综合性较强，难度中等，侧重于考查学生的分析能力和计算能力、以及对基础知识的综合应用能力．