Question

11．工業(yè)上制取硝酸的主要流程圖如圖1所示，尾氣處理流程圖如圖2所示：

請根據(jù)上述流程，結(jié)合所學(xué)知識回答：
（1）工業(yè)合成氨的原料是N₂和H₂，其中N₂以空氣為原料制取，方法是分離液態(tài)空氣法．H2可用等物質(zhì)的量的水和天然氣為原料在催化劑作用下高溫制取，其化學(xué)方程式為CH₄+H₂O（g） CO+3H₂． 在原料氣制備過程中混有的CO對催化劑有毒害作用，欲除去原料氣中的CO，可通過反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）來實現(xiàn)．己知1100K時該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=0.64，若要使CO的轉(zhuǎn)化率超過80%，則起始物中c（H₂O）：c（CO）不低于5.8：1．
（2）在合成氨的設(shè)備（合成塔）中，使用熱交換器的目的是充分利用余熱，節(jié)約能源．往吸收塔通入過量空氣的原因是可使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化成HNO₃．
（3）利用石灰乳來除去硝酸工業(yè)的尾氣（含NO、NO₂），既能凈化尾氣，又能獲得應(yīng)用廣泛的Ca（NO₂）₂，其部分工藝流程如圖2所示．已知NO和NO₂按1：1通入堿液中生成亞硝酸鹽．工藝流程中采用氣-液逆流接觸吸收（尾氣從吸收塔底進入，石灰乳從吸收塔頂噴淋），其目的是使尾氣中NO、NO₂被充分吸收；濾渣可循環(huán)使用，濾渣的主要成分是Ca（OH）₂（填化學(xué)式）．該工藝需控制NO和NO₂物質(zhì)的量之比接近1：1．若n（NO）：n（NO₂）＜1：1，則會導(dǎo)致產(chǎn)品Ca（NO₂）₂中Ca（NO₃）₂含量升高．
（4）工業(yè)上生產(chǎn)硝酸的過程中產(chǎn)生NO_x，也可以用NH₃在高溫下催化還原法消除NO_x對空氣的污染．寫出NH₃與NO_x反應(yīng)的化學(xué)方程式4xNH₃+6NO_x6xH₂O+（2x+3）N₂．

Answer 1

分析 （1）合成氨中，氮氣和氫氣在合成塔中反應(yīng)生成氨氣，氮氣、氧氣都為分子晶體，氮氣式量小于氧氣，所以分離空氣提取氮氣的方法為先液化、后汽化或蒸餾，先汽化的氣體為氮氣，以此提取氮氣，水蒸氣和甲烷反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，據(jù)此書寫方程式；根據(jù)平衡常數(shù)用三段式法計算；
（2）合成氨的反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，熱交換器可以充分利用余熱，節(jié)約能源；在吸收塔中二氧化氮與水反應(yīng)生成硝酸和NO，NO能被氧氣氧化為二氧化氮；
（3）使尾氣中NO、NO₂與石灰乳充分接觸；濾渣的主要成分是Ca（OH）₂；若＜1：1，則二氧化氮過量；
（4）NH₃能使NO_x轉(zhuǎn)化為N₂和水，根據(jù)化學(xué)方程式的書寫知識來回答．

解答 解：（1）工業(yè)合成氨的原料是N₂和H₂，反應(yīng)原料N₂可從空氣中分離出來，方法是先將空氣液化，然后蒸餾或控制N₂的沸點加熱蒸發(fā)，氮氣先汽化，即可得到，水蒸氣和甲烷反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，反應(yīng)為：CH₄+H₂O（g） CO+3H₂，

設(shè)CO的起始濃度為xmol，H₂O的起始濃度為ymol，則轉(zhuǎn)化的CO的最小值為0.8x，
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始 x y 0 0
變化 0.8x 0.8x 0.8x 0.8x
平衡 0.2x y-0.8x 0.8x 0.8x，
根據(jù)平衡常數(shù)列式：$\frac{（0.8x）^{2}}{0.2x×（y-0.8x）}$=0.64，
解得：$\frac{y}{x}$=5.8：1．故此只要此值大于5.8，轉(zhuǎn)化率就會超過80%．
故答案為：分離液態(tài)空氣法；CH₄+H₂O（g） CO+3H₂； 5.8：1；
（2）合成氨的反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程中會放出大量的熱，用熱交換器可以充分利用余熱，節(jié)約能源；在吸收塔中二氧化氮與水反應(yīng)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(yīng)生成硝酸，這樣使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸；
故答案為：充分利用余熱，節(jié)約能源；可使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化成HNO₃；
（3）使尾氣中NO、NO₂與石灰乳充分接觸，NO、NO₂被充分吸收；濾渣主要成分是Ca（OH）₂，若n（NO）：n（NO₂）＜1：1，則二氧化氮過量，二氧化氮可與石灰乳反應(yīng)生成Ca（NO₃）₂，
故答案為：使尾氣中NO、NO₂被充分吸收；Ca（OH）₂；產(chǎn)品Ca（NO₂）₂中Ca（NO₃）₂含量升高；
（4）NH₃能使NO_x轉(zhuǎn)化為N₂和水，化學(xué)方程式為4xNH₃+6NO_x6xH₂O+（2x+3）N₂，
故答案為：4xNH₃+6NO_x6xH₂O+（2x+3）N₂．

點評 本題考查學(xué)生在“工藝流程閱讀分析，化學(xué)反應(yīng)原理在工藝流程的應(yīng)用，氧化還原反應(yīng)分析，相關(guān)反應(yīng)的書寫”等方面對元素化合物性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化關(guān)系的理解和應(yīng)用程度，考查學(xué)生對新信息的處理能力，掌握合成氨的原理以及利用三段式法計算平衡問題是解答關(guān)鍵，題目難度中等．