Question

13．工业上以N₂、H₂为原料制取硝酸铵的流程如图所示．

回答下列问题：
（1）氨合成塔适宜的压强是20～50MPa，如果压强过大，除对设备要求高外，还会导致的结果是压碎催化剂，缩短催化剂寿命．
（2）合成硝酸的吸收塔内填充瓷环，其作用是增大气液接触面积，吸收塔中还需补充空气的目的是可使NO全部转化成HNO₃．
（3）若输送NH₃的管道某处发生泄漏，检测的简单方法为用湿润的红色石蕊试纸检测，试纸变蓝的位置即是氨气泄漏处．
（4）在一定温度和压强的密闭容器中，将物质的量之比为3：2的H₂和N₂混合，当该反应达到平衡时，测出平衡混合气中氨的体积分数为25%，此时H₂的转化率为50%．
（5）制硝酸氧化炉中氨气和氧气在145℃就开始反应，在不同温度和催化剂条件下生成不同产物（如图所示）．温度较低时以生成N₂为主，900℃时发生主要反应的化学方程式为4NH₃（g）+5O₂（g）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO（g）+6H₂O，当温度高于900℃时，NO产率明显下降的原因是生成NO的反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，NO的产率下降．

（6）若N₂、H₂合成氨时，H₂的转化率为60%，NH₃催化氧化制HNO₃时的损失20%的氨，其它环节的损失忽略不计．则10tH₂最多可以制取71.1t硝酸铵．

Answer 1

分析 （1）压强过大，可以压碎催化剂，据此答题；
（2）合成硝酸的吸收塔内填充瓷环，可以增大气液接触面积，使二氧化氮被水充分吸收，由于二氧化氮与水反应生成硝酸外还生成一氧化氮，所以吸收塔中补充空气可使NO全部转化成HNO₃；
（3）根据NH₃的水溶液呈碱性，能使湿润的红色石蕊试纸变蓝，据此检验NH₃；
（4）设H₂起始物质的量为3amol，则N₂起始物质的量为2amol，达到平衡时转化的H₂的物质的量为bmol，利用三段式，
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
开始（mol）：2a       3a       0
变化（mol）：$\frac{1}{3}$b       b       $\frac{2}{3}$b
平衡（mol）：2a-$\frac{1}{3}$b  3a-b      $\frac{2}{3}$b
根据平衡混合气中氨的体积分数为25%，可计算出a、b的关系，进而确定转化率；
（5）由图可知低温主要产物为氮气；900℃时氨气和氧气反应生成一氧化氮和水，根据图象可知温度低时生成氮气，温度高时生成NO，但该反应为放热反应，则温度高于900℃时，NO产率下降；
（6）根据反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），H₂的转化率为60%，10tH₂最多可以制取氨气的质量为10t×60%×$\frac{17}{3}$=34t，NH₃催化氧化制HNO₃时的损失20%的氨，再根据氨与硝酸按1：1生成硝酸铵，可计算出硝酸铵的质量．

解答 解：（1）压强过大，可以压碎催化剂，缩短催化剂寿命，所以压强不能过大，
故答案为：压碎催化剂，缩短催化剂寿命；
（2）合成硝酸的吸收塔内填充瓷环，可以增大气液接触面积，使二氧化氮被水充分吸收，由于二氧化氮与水反应生成硝酸外还生成一氧化氮，所以吸收塔中补充空气可使NO全部转化成HNO₃，
故答案为：增大气液接触面积；可使NO全部转化成HNO₃；
（3）根据NH₃的水溶液呈碱性，能使湿润的红色石蕊试纸变蓝，据此检验NH₃，检测的简单方法为用湿润的红色石蕊试纸检测，试纸变蓝的位置即是氨气泄漏处，
故答案为：用湿润的红色石蕊试纸检测，试纸变蓝的位置即是氨气泄漏处；
（4）设H₂起始物质的量为3amol，则N₂起始物质的量为2amol，达到平衡时转化的H₂的物质的量为bmol，利用三段式，
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
开始（mol）：2a       3a       0
变化（mol）：$\frac{1}{3}$b       b       $\frac{2}{3}$b
平衡（mol）：2a-$\frac{1}{3}$b  3a-b      $\frac{2}{3}$b
根据题意可知，$\frac{\frac{2}{3}b}{2a-\frac{1}{3}b+3a-b+\frac{2}{3}b}$=25%，所以3a=2b，此时H₂的转化率为$\frac{b}{3a}$×100%=50%，
故答案为：50%；
（5）由图可知低温主要产物为氮气N₂，900℃时氨气和氧气反应生成一氧化氮和水，反应方程式为4NH₃（g）+5O₂（g）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO（g）+6H₂O，生成NO的反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，NO的转化率下降，合成塔反应过程中产生NO，为充分利用，补充空气会进一步与NO反应生成硝酸，
故答案为：N₂；4NH₃（g）+5O₂（g）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO（g）+6H₂O；生成NO的反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，NO的产率下降；
（6）根据反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），H₂的转化率为60%，10tH₂最多可以制取氨气的质量为10t×60%×$\frac{17}{3}$=34t，设被氧化的氨气为xt，NH₃催化氧化制HNO₃时的损失20%的氨，则生成的硝酸为xt×（1-20%）×$\frac{63}{17}$，氨与硝酸按1：1生成硝酸铵，所以有$\frac{34t-xt}{17}$=$\frac{xt×（1-20%）×\frac{63}{17}}{63}$，则x=18.89，所以硝酸铵的质量为（34t-xt）×$\frac{80}{17}$=71.1t，
故答案为：71.1．

点评 本题主要考查了工业合成氨与制备硝酸，同时考查了化学平衡计算，综合性较强，难度较大，正确理解各物质之间的反应是解题的关键，对学生分析问题和解决问题的能力要求较高．