Question

工業(yè)合成氨與制備硝酸可采用如圖1流程進(jìn)行聯(lián)合生產(chǎn)：

（1）如圖2表示了298K時(shí)氮?dú)馀c氫氣合成氨反應(yīng)過(guò)程中的能量變化．對(duì)于合成氨的反應(yīng)下列說(shuō)法正確的是

 

 （填編號(hào)）．

a．該反應(yīng)在任意條件下都可以自發(fā)進(jìn)行
b．加入催化劑，能使該反應(yīng)的E和△H都減小
c．若該反應(yīng)在298K、398K時(shí)的化學(xué)平衡常數(shù)分別為K₁、K₂，則K₁＞K₂
d．該反應(yīng)屬于人工固氮
（2）在800℃時(shí)，氨與氧氣在氨氧化爐中反應(yīng)的主要產(chǎn)物是NO和H₂O．在實(shí)際生產(chǎn)中氨的氧化率與混合氣中氧氨比{氧氣與氨氣物質(zhì)的量比，以γ[n（O₂）/n（NH₃）]表示}的關(guān)系如圖3所示．
①在實(shí)際生產(chǎn)中，將γ值維持在數(shù)值

 

之間為好．
②實(shí)際生產(chǎn)中，通入氨氧化爐的是空氣，若使氨的氧化率達(dá)到95%，應(yīng)控制氨在氨、空氣混合氣體中
的體積分?jǐn)?shù)約為_(kāi)

 

 （設(shè)氧氣占空氣的體積分?jǐn)?shù)為20%）．
（3）由于二氧化氮不能被水完全吸收，因此生成的氣體須經(jīng)過(guò)多次氧化、吸收的循環(huán)操作，使其充分轉(zhuǎn)化為硝酸（如果不考慮生產(chǎn)過(guò)程中的其它損失）．
①?gòu)睦碚撋戏治�，要使氨氣完全轉(zhuǎn)化為硝酸，則原料氨氣和氧氣物質(zhì)的量的投料比至少為

 

．
②如果按理論上的原料比將原料放在一個(gè)具有反應(yīng)條件的密閉容器中進(jìn)行，所有物質(zhì)不與外界交換，則最后所得溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

 

．
③循環(huán)操作的次數(shù)與二氧化氮生成硝酸的轉(zhuǎn)化率具有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系．計(jì)算一定量的二氧化氮?dú)怏w大約要經(jīng)過(guò)

 

次循環(huán)操作，才能使二氧化氮的轉(zhuǎn)化率約為96%．

Answer 1

考點(diǎn)：工業(yè)制取硝酸,化學(xué)平衡的調(diào)控作用

專題：計(jì)算題,元素及其化合物

分析：（1）a．根據(jù)△H-T△S判斷；
b．加入催化劑降低活化能，不影響反應(yīng)熱；
c．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)移動(dòng)；
d．工業(yè)合成氨是人工固氮；
（2）①?gòu)娜绾谓档统杀具�能提高氨氣的轉(zhuǎn)化率角度考慮；
②根據(jù)n（O₂）/n （NH₃）=1.7及空氣中氧氣約占空氣體積的20%計(jì)算；γ=1.75的氨、空氣混合氣體，氧氣足量，反應(yīng)生成氣體主要是二氧化氮和水，空氣中的氮?dú)獠环磻?yīng)；
（3）①根據(jù)反應(yīng)方程式中氨氣和氧氣關(guān)系判斷；
②由4NH₃+5O₂

催化劑 .

△

4NO+6H₂O、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，可得：NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O，根據(jù)方程計(jì)算；
③根據(jù)等比數(shù)列計(jì)算前n項(xiàng)和，再根據(jù)其轉(zhuǎn)化率公式計(jì)算．

解答： 解：（1）a．該反應(yīng)為焓減熵減，△H-T△S＜0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，故應(yīng)在低溫下可能自發(fā)進(jìn)行，故a錯(cuò)誤；
b．加入催化劑降低活化能，不影響反應(yīng)熱，故b錯(cuò)誤；
c．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，平衡常數(shù)降低，故c正確；
d．工業(yè)合成氨是人工固氮，故d正確．
故選：cd；
（2）①由于一方面提高氧氣量，增大氨的氧化率；另方面γ值在1.7～2.2時(shí)，氨的氧化率已高達(dá)95～99%，再提高，氨的氧化率上升空間已有限，反而會(huì)增加能耗，提高生產(chǎn)成本，所以而實(shí)際生產(chǎn)要將γ值維持在1.7～2.2之間，
故答案為：1.7～2.2；
②氨的氧化率達(dá)到95%，γ{n（O₂）/n （NH₃）}=1.7，設(shè)氨氣的物質(zhì)的量是xmol，n（O₂）=1.7xmol，空氣的物質(zhì)的量是：1.7xmol×5=8.5xmol，
氨氣的體積分?jǐn)?shù)是：

xmol

xmol+8.5xmol

×100%=10.5%，
（3）①由4NH₃+5O₂

催化劑 .

△

4NO+6H₂O、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，可得：NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O，則原料氨氣和氧氣物質(zhì)的量的投料比為1：2；
故答案為：1：2；
②由4NH₃+5O₂

催化劑 .

△

4NO+6H₂O、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，可得：NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O，則按理論上的原料比將原料放在一個(gè)具有反應(yīng)條件的密閉容器中進(jìn)行，所有物質(zhì)不與外界交換，則生成1molHNO₃時(shí)，水是也是mol，則硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

63

63+18

×100%=77.8%；
故答案為：77.8%；
③設(shè)起始時(shí)NO₂物質(zhì)的量為1 mol，經(jīng)過(guò)n次循環(huán)后生成HNO₃的物質(zhì)的量為：Sn=

2

3

+

2

3

×

1

3

+

2

3

×（

1

3

）²+??????+

2

3

×（

1

3

）^n-1，經(jīng)等比數(shù)列求和得Sn=

2 3 [1-( 1 3 )n]

1- 1 3

=1-（

1

3

）ⁿ，因此，NO₂→HNO₃轉(zhuǎn)化率為1-（

1

3

）ⁿ×100%=95%，因此，n=2.6≈3，要經(jīng)過(guò)3次循環(huán)操作才能使95%的NO₂轉(zhuǎn)化為HNO₃，
故答案為：3．

點(diǎn)評(píng)：本題以工業(yè)制硝酸為知識(shí)背景，綜合考查了反應(yīng)熱、化學(xué)平衡、有關(guān)方程式的計(jì)算等，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，題目難度中等，注意把握?qǐng)D象中的信息．