Question

19．硝酸銨可用作化肥、軍用炸藥、殺蟲劑、冷凍劑等，工業制取硝酸銨的工藝流程如圖1

（1）合成氨氣的工業設備名稱合成塔，設備中設置熱交換器的目的是充分利用熱能，合成氨的原料氣必須先脫硫，目的是防止催化劑中毒；
（2）吸收塔中反應的化學方程式為4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，從生產流程看，吸收塔中需要補充空氣，其原因是可使NO循環利用，提高原料利用率；
（3）生產硝酸的過程中常會產生氮的氧化物，可用如下三種方法處理：
方法一：堿性溶液吸收法
NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O；2NO₂+Na₂CO₃═NaNO₂+NaNO₃+CO₂
方法二：NH₃還原法
8NH₃（g）+6NO₂（g）═7N₂（g）+12H₂O（g）△H=-2635kJ/mol（NO也有類似的反應）
方法三：甲烷吸收法
CH₄（g）+2NO₂═CO₂（g）+N₂+2H₂O（g）△H=+867kJ/mol（NO也有類似的反應）
上述三種方法中，方法一的主要缺點是單獨的NO不能被吸收；
方法三和方法二相比，方法三的缺點是耗能高；
（4）工業上也可以通過電解NO制備NH₄NO₃，其工作原理如圖2示．
①圖中通入NH₃的目的是使電解產物全部轉化為NH₄NO₃；
②若維持電流強度為3A，電解2小時，理論上可制得NH₄NO₃的最大質量為6.0g；（已知F=96500C•mol^-1）（保留2位有效數字）．
（5）某化肥廠用NH₃制備NH₄NO₃．己知：NH₃制NO的產率是94%，NO制HNO₃的產率是89%，則制HNO₃所用NH₃的質量占總耗NH₃質量（不考慮其他損耗）的百分比為54.4%．

Answer 1

分析 氮氣和氫氣在催化劑、高溫高壓條件下發生化合反應生成氨氣，氨氣在催化劑、加熱條件下反應生成NO，NO、空氣在吸收塔中反應生成硝酸，硝酸和氨氣反應生成硝酸銨；
（1）合成氨氣的工業設備名稱合成塔，設備中設置熱交換器的目的是充分利用熱能；催化劑具有選擇性；
（2）在吸收塔中二氧化氮與水反應生成硝酸和NO，通入空氣，NO能被空氣中的氧氣氧化為二氧化氮，二氧化氮再與水反應生成硝酸，這樣使NO循環利用，全部轉化為硝酸；
（3）方法一最大的缺點是單獨的NO不能被吸收，只能與NO₂一起被堿液吸收；方法三和方法二相比，優點是甲烷比氨價格便宜，缺點是方法三的耗能較高；
（4）①工業上電解NO制備 NH₄NO₃，由裝置圖可知陽極發生氧化反應，NO被氧化生成NO₃^-，陰極發生還原反應，NO被還原生成NH₄⁺，陽極反應為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，陰極反應為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O；
②根據轉移的電子守恒計算；
（5）根據氮原子守恒可知NH₃～NO～HNO₃，以此計算．

解答 解：氮氣和氫氣在催化劑、高溫高壓條件下發生化合反應生成氨氣，氨氣在催化劑、加熱條件下反應生成NO，NO、空氣在吸收塔中反應生成硝酸，硝酸和氨氣反應生成硝酸銨；
（1）合成氨的工業設備是合成塔；合成氨的反應屬于放熱反應，反應過程中會放出大量的熱，用熱交換器可以充分利用余熱，節約能源；N₂與H₂合成NH₃，生產中原料氣必須進行脫硫可以防止催化劑中毒；
故答案為：合成塔； 充分利用熱能；防止催化劑中毒；
（2）在吸收塔中二氧化氮與水反應生成硝酸和NO，通入空氣，NO能被空氣中的氧氣氧化為二氧化氮，二氧化氮再與水反應生成硝酸，這樣使NO循環利用，全部轉化為硝酸，反應的化學方程式為4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；
故答案為：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；可使NO循環利用，提高原料利用率；
（3）方法一最大的缺點是單獨的NO不能被吸收，只能與NO₂一起被堿液吸收；方法三和方法二相比，優點是甲烷比氨價格便宜，節約成本；缺點是方法三的反應熱為+867kJ•mol^-1，耗能較高；
故答案為：單獨的NO不能被吸收；耗能高；
（4）①電解NO制備NH₄NO₃，陽極反應為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，陰極反應為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，從兩極反應可看出，要使得失電子守恒，陽極產生的NO₃^-的物質的量大于陰極產生的NH₄⁺的物質的量，總反應方程式為：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此補充NH₃，使電解產物全部轉化為NH₄NO₃，
故答案為：使電解產物全部轉化為NH₄NO₃；
②維持電流強度為3A，電解2小時，時間為7200S，F=96500C•mol^-1，Q=It=3.0C/s×7200S，則理論上可制得NH₄NO₃的最大質量為$\frac{3.0C/s×7200s}{\frac{96500C/mol}{3}}$×80g/mol=6.0g
故答案為：6.0；
（5）由NH₃制NO的產率是94%、NO制HNO₃的產率是89%，根據氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，則1mol氨氣可得到硝酸1mol×94%×89%=0.8366mol，由HNO₃+NH₃═NH₄NO₃，則該反應消耗的氨氣的物質的量為0.8366mol，氨氣的質量之比等于物質的量之比，則制HNO₃所用去的NH₃的質量占總耗NH₃質量的百分數為 $\frac{1mol}{1mol+0.8366mol}$×100%=54.4%；即制HNO₃所用去的NH₃的質量占總耗NH₃質量的54.4%，
故答案為：54.4%．

點評 本題考查制備實驗方案設計，為高頻考點，明確流程圖中發生的反應、各個物理量之間的關系式是解本題關鍵，側重考查學生分析計算能力，難點是有關計算，題目難度中等．