Question

某化肥廠以氨和空氣（其中氧氣的體積分數為0.2）為原料生產硝酸銨過程如下：

其中反應①為4NH₃+5O₂

催化劑  .

4NO+6H₂O
（1）步驟②中發生了兩個反應，將這兩個化學方程式合并為一個化學方程式，可表示為

 

．
（2）若不考慮副反應且各步反應均完全，為使生產過程中不再補充空氣，則原料氣中氨（包括第③步被硝酸吸收的氨）的體積分數最大值為

 

．
（3）假設實際生產中，反應①、②中含氮物質的利用率分別為a、b，反應③中氨的利用率為c、硝酸的利用率為100%，則合成硝酸銨的整個流程中，氨的總利用率是多少？

 

．

Answer 1

分析：（1）依據反應②發生的反應2NO+O₂ =2NO₂和3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，消元即可解答；
（2）依據反應4NH₃+5O₂

催化劑  .

4NO+6H₂O①4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃ ②NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ③消元即可解答；
（3）根據氮原子守恒和含氮物質的利用率進行解答，假設消耗NH₃的總物質的量為1mol，其中用于制取HNO₃的NH₃的物質的量為x mol，反應①、②中生成的硝酸為abx mol；假設第①步參加反應的氨氣的物質的量為4mol，生成硝酸的物質的量4abmol；

解答：解：（1）反應②涉及這樣幾步反應：2NO+O₂ =2NO₂ A，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO  B，A×3+B×2，消去中間物NO₂，得：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，
故答案為：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；
（2）整個過程包括這樣幾步反應：4NH₃+5O₂

催化劑  .

4NO+6H₂O①4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃ ②
NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ③，將①+②+③×4，約簡得：2NH₃+2O₂=NH₄NO₃ +H₂O
由n（NH₃）：n（O₂）=1：1 推知V（NH₃）：V（空氣）=1：5 則原料氣中氨（包括第③步被硝酸吸收的氨）的體積分數最大值為

1

1+5

=

1

6

；    
故答案為：

1

6

（或16.7%）；    
（3）解法一：假設消耗NH₃的總物質的量為1mol，其中用于制取HNO₃的NH₃的物質的量為x mol，被HNO₃吸收的NH₃的物質的量為ymol，反應①、②中生成的硝酸為abxmol，NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ，abx=cy，則：x+y=1、abx=cy，解得：x=

c

ab+c

，y=

ab

ab+c

，氨的總利用率=

xab+yc

1

=

2abc

ab+c

；
解法二：假設第①步參加反應的氨氣的物質的量為4mol，反應①、②中含氮物質的利用率分別為a、b，則：生成硝酸的物質的量4abmol，NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ ，反應③中氨的利用率為c，第③步需要氨氣的物質的量為

4ab

c

mol；
氨的總利用率=

4ab+4ab

4+ 4ab c

=

2abc

ab+c

；
故答案為：

2abc

ab+c

；

點評：本題考查了以硝酸的工業制備流程背景下的化學計算，關鍵是依據各生產原料和產物間的關系，將方程式當作代數式進行相應的消元，構建目標物質的關系，題目難度中等．