Question

3．工業上以N₂、H₂為原料抽取硝酸銨的流程如圖1所示．

回答下列問題：
（1）氨合成塔適宜的壓強是20～50MPa，如果壓強過大，除對設備要求高外，還會導致的結果壓碎催化劑，縮短催化劑壽命；
（2）合成硝酸的吸收塔內填充瓷環，其作用是增大氣液接觸面積，吸收塔中還需補充空氣的目的是可使NO全部轉化成HNO₃；
（3）若輸送NH₃的管道某處發生泄漏，檢測的簡單方法為用濕潤的紅色石蕊試紙檢測，試紙變藍的位置即是氨氣泄漏處；
（4）在一定溫度和壓強的密閉容器中，將物質的量之比為3：2的H₂和N₂混合，當該反應達到平衡時，測出平衡混合氣中氨的體積分數為25%，此時H₂的轉化率為50%；
（5）制硝酸氧化爐中氨氣和氧氣在145℃就開始反應，在不同溫度和催化劑條件下生成不同產物（如圖2所示）．溫度較低時以生成N₂為主，900℃時發生主要反應的化學方程式為4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O，當溫度高于900℃時，NO產率明顯下降的原因是生成NO的反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，NO的產率下降；
（6）若N₂、H₂合成氨時，H₂的轉化率為60%，NH₃催化氧化制HNO₃時的損失20%的氨，其它環節的損失忽略不計．則10tH₂最多可以制取71.1t．

Answer 1

分析 （1）氨合成反應是氣體體積減小的放熱反應，在氨合成塔適宜的壓強是20～50MPa，如果壓強過大，除對設備要求高外，還會導致的結果是壓碎催化劑，縮短催化劑壽命；
（2）合成硝酸的吸收塔內填充瓷環，其作用是增大氣液接觸面積，吸收塔中還需補充空氣的目的是可使NO全部轉化成HNO₃；
（3）若輸送NH₃的管道某處發生泄漏，由于氨氣的水溶液顯堿性，會使濕潤的紅色石蕊試紙變為藍色，所以用濕潤的紅色石蕊試紙檢測；
（4）在一定溫度和壓強的密閉容器中，將物質的量之比為3：2的H₂和N₂混合，當該反應達到平衡時，測出平衡混合氣中氨的體積分數為25%，假設反應的N₂的體積是x，則反應的氫氣的體積是3x，反應產生的NH₃的體積是2x，按照三段法計算轉化率；
（5）制硝酸氧化爐中氨氣和氧氣在145℃就開始反應，在不同溫度和催化劑條件下生成不同產物，根據圖示可知，在溫度較低時以生成N₂為主，900℃時氨氣被氧化產生NO，發生主要反應的化學方程式為4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O；當溫度高于900℃時，NO產率明顯下降的原因是生成NO的反應為放熱反應，升高溫度，化學平衡向吸熱的逆反應方向移動，使反應物NH₃轉化率下降；
（6）N₂、H₂合成氨時，N₂+3H₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2NH₃，根據上述分析利用化學方程式計量數計算，詳細見解答．

解答 解：（1）氨合成反應是氣體體積減小的放熱反應，在氨合成塔適宜的壓強是20～50MPa，如果壓強過大，除對設備要求高外，還會導致的結果是壓碎催化劑，縮短催化劑壽命，
故答案為：壓碎催化劑，縮短催化劑壽命；
（2）合成硝酸的吸收塔內填充瓷環，其作用是增大氣液接觸面積，吸收塔中還需補充空氣的目的是可使NO全部轉化成HNO₃，
故答案為：增大氣液接觸面積；可使NO全部轉化成HNO₃；
（3）若輸送NH₃的管道某處發生泄漏，由于氨氣的水溶液顯堿性，會使濕潤的紅色石蕊試紙變為藍色，所以用濕潤的紅色石蕊試紙檢測，試紙變藍的位置即是氨氣泄漏處，
故答案為：用濕潤的紅色石蕊試紙檢測，試紙變藍的位置即是氨氣泄漏處；
（4）在一定溫度和壓強的密閉容器中，將物質的量之比為3：2的H₂和N₂混合，當該反應達到平衡時，測出平衡混合氣中氨的體積分數為25%，假設反應的N₂的體積是x，則反應的氫氣的體積是3x，反應產生的NH₃的體積是2x，此時H₂的物質的量是（3-3x），N₂是（2-x），所以2x÷[2x+（3-3x）+（2-x）]=25%，解得x=0.5，所以此時H₂的轉化率為（3×0.5）÷3=50%，
故答案為：50%；
（5）制硝酸氧化爐中氨氣和氧氣在145℃就開始反應，在不同溫度和催化劑條件下生成不同產物，根據圖示可知，在溫度較低時以生成N₂為主，900℃時氨氣被氧化產生NO，發生主要反應的化學方程式為4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O；當溫度高于900℃時，NO產率明顯下降的原因是生成NO的反應為放熱反應，升高溫度，化學平衡向吸熱的逆反應方向移動，使反應物NH₃轉化率下降，
故答案為：N₂；4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O；生成NO的反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，NO的產率下降；    
（6）N₂、H₂合成氨時，N₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$2NH₃；H₂的轉化率為60%，10tH₂的物質的量是n（H₂）=5×10⁶mol；合成氨氣的物質的量是n（NH₃）=5×10⁶mol×60%×2/3=2×10⁶mol；假設用于催化氧化制HNO₃的氨的物質的量是x，由于氨的損失20%，所以產生的硝酸的物質的量是（1-20%）x，與硝酸反應的氨的物質的量是（1-20%）x，（1-20%）x+x=2×10⁶mol，x=1.11×10⁶mol，反應產生的硝酸銨的質量是m（NH₄NO₃）=（1-20%）x×80g/mol=1.11×10⁶mol×80%×80g/mol=71.1×10⁶g=71.1噸，
故答案為：71.1．

點評 本題主要考查了工業合成氨與制備硝酸，同時考查了化學平衡計算，綜合性較強，題目難度中等，正確理解各物質之間的反應是解題的關鍵，對學生分析問題和解決問題的能力要求較高．