Question

13．工業(yè)上以N₂、H₂為原料制取硝酸銨的流程如圖所示．

回答下列問(wèn)題：
（1）氨合成塔適宜的壓強(qiáng)是20～50MPa，如果壓強(qiáng)過(guò)大，除對(duì)設(shè)備要求高外，還會(huì)導(dǎo)致的結(jié)果是壓碎催化劑，縮短催化劑壽命．
（2）合成硝酸的吸收塔內(nèi)填充瓷環(huán)，其作用是增大氣液接觸面積，吸收塔中還需補(bǔ)充空氣的目的是可使NO全部轉(zhuǎn)化成HNO₃．
（3）若輸送NH₃的管道某處發(fā)生泄漏，檢測(cè)的簡(jiǎn)單方法為用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢測(cè)，試紙變藍(lán)的位置即是氨氣泄漏處．
（4）在一定溫度和壓強(qiáng)的密閉容器中，將物質(zhì)的量之比為3：2的H₂和N₂混合，當(dāng)該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)出平衡混合氣中氨的體積分?jǐn)?shù)為25%，此時(shí)H₂的轉(zhuǎn)化率為50%．
（5）制硝酸氧化爐中氨氣和氧氣在145℃就開(kāi)始反應(yīng)，在不同溫度和催化劑條件下生成不同產(chǎn)物（如圖所示）．溫度較低時(shí)以生成N₂為主，900℃時(shí)發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為4NH₃（g）+5O₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO（g）+6H₂O，當(dāng)溫度高于900℃時(shí)，NO產(chǎn)率明顯下降的原因是生成NO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，NO的產(chǎn)率下降．

（6）若N₂、H₂合成氨時(shí)，H₂的轉(zhuǎn)化率為60%，NH₃催化氧化制HNO₃時(shí)的損失20%的氨，其它環(huán)節(jié)的損失忽略不計(jì)．則10tH₂最多可以制取71.1t硝酸銨．

Answer 1

分析 （1）壓強(qiáng)過(guò)大，可以壓碎催化劑，據(jù)此答題；
（2）合成硝酸的吸收塔內(nèi)填充瓷環(huán)，可以增大氣液接觸面積，使二氧化氮被水充分吸收，由于二氧化氮與水反應(yīng)生成硝酸外還生成一氧化氮，所以吸收塔中補(bǔ)充空氣可使NO全部轉(zhuǎn)化成HNO₃；
（3）根據(jù)NH₃的水溶液呈堿性，能使?jié)駶?rùn)的紅色石蕊試紙變藍(lán)，據(jù)此檢驗(yàn)NH₃；
（4）設(shè)H₂起始物質(zhì)的量為3amol，則N₂起始物質(zhì)的量為2amol，達(dá)到平衡時(shí)轉(zhuǎn)化的H₂的物質(zhì)的量為bmol，利用三段式，
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
開(kāi)始（mol）：2a       3a       0
變化（mol）：$\frac{1}{3}$b       b       $\frac{2}{3}$b
平衡（mol）：2a-$\frac{1}{3}$b  3a-b      $\frac{2}{3}$b
根據(jù)平衡混合氣中氨的體積分?jǐn)?shù)為25%，可計(jì)算出a、b的關(guān)系，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)化率；
（5）由圖可知低溫主要產(chǎn)物為氮?dú)猓?00℃時(shí)氨氣和氧氣反應(yīng)生成一氧化氮和水，根據(jù)圖象可知溫度低時(shí)生成氮?dú)�，溫度高時(shí)生成NO，但該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則溫度高于900℃時(shí)，NO產(chǎn)率下降；
（6）根據(jù)反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），H₂的轉(zhuǎn)化率為60%，10tH₂最多可以制取氨氣的質(zhì)量為10t×60%×$\frac{17}{3}$=34t，NH₃催化氧化制HNO₃時(shí)的損失20%的氨，再根據(jù)氨與硝酸按1：1生成硝酸銨，可計(jì)算出硝酸銨的質(zhì)量．

解答 解：（1）壓強(qiáng)過(guò)大，可以壓碎催化劑，縮短催化劑壽命，所以壓強(qiáng)不能過(guò)大，
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(nèi)填充瓷環(huán)，可以增大氣液接觸面積，使二氧化氮被水充分吸收，由于二氧化氮與水反應(yīng)生成硝酸外還生成一氧化氮，所以吸收塔中補(bǔ)充空氣可使NO全部轉(zhuǎn)化成HNO₃，
故答案為：增大氣液接觸面積；可使NO全部轉(zhuǎn)化成HNO₃；
（3）根據(jù)NH₃的水溶液呈堿性，能使?jié)駶?rùn)的紅色石蕊試紙變藍(lán)，據(jù)此檢驗(yàn)NH₃，檢測(cè)的簡(jiǎn)單方法為用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢測(cè)，試紙變藍(lán)的位置即是氨氣泄漏處，
故答案為：用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢測(cè)，試紙變藍(lán)的位置即是氨氣泄漏處；
（4）設(shè)H₂起始物質(zhì)的量為3amol，則N₂起始物質(zhì)的量為2amol，達(dá)到平衡時(shí)轉(zhuǎn)化的H₂的物質(zhì)的量為bmol，利用三段式，
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
開(kāi)始（mol）：2a       3a       0
變化（mol）：$\frac{1}{3}$b       b       $\frac{2}{3}$b
平衡（mol）：2a-$\frac{1}{3}$b  3a-b      $\frac{2}{3}$b
根據(jù)題意可知，$\frac{\frac{2}{3}b}{2a-\frac{1}{3}b+3a-b+\frac{2}{3}b}$=25%，所以3a=2b，此時(shí)H₂的轉(zhuǎn)化率為$\frac{3a}$×100%=50%，
故答案為：50%；
（5）由圖可知低溫主要產(chǎn)物為氮?dú)釴₂，900℃時(shí)氨氣和氧氣反應(yīng)生成一氧化氮和水，反應(yīng)方程式為4NH₃（g）+5O₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO（g）+6H₂O，生成NO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，NO的轉(zhuǎn)化率下降，合成塔反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生NO，為充分利用，補(bǔ)充空氣會(huì)進(jìn)一步與NO反應(yīng)生成硝酸，
故答案為：N₂；4NH₃（g）+5O₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO（g）+6H₂O；生成NO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，NO的產(chǎn)率下降；
（6）根據(jù)反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），H₂的轉(zhuǎn)化率為60%，10tH₂最多可以制取氨氣的質(zhì)量為10t×60%×$\frac{17}{3}$=34t，設(shè)被氧化的氨氣為xt，NH₃催化氧化制HNO₃時(shí)的損失20%的氨，則生成的硝酸為xt×（1-20%）×$\frac{63}{17}$，氨與硝酸按1：1生成硝酸銨，所以有$\frac{34t-xt}{17}$=$\frac{xt×（1-20%）×\frac{63}{17}}{63}$，則x=18.89，所以硝酸銨的質(zhì)量為（34t-xt）×$\frac{80}{17}$=71.1t，
故答案為：71.1．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查了工業(yè)合成氨與制備硝酸，同時(shí)考查了化學(xué)平衡計(jì)算，綜合性較強(qiáng)，難度較大，正確理解各物質(zhì)之間的反應(yīng)是解題的關(guān)鍵，對(duì)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力要求較高．