- 硝酸在化学工业上的应用
- 共70题
（1）工业上用水吸收NO2生产HNO3，生成的气体经多次氧化、吸收的循环操作充分转化为硝酸（假定上述过程无其他损失）．试写出上述反应的化学方程式：______．
（2）为了证明NO也可以与氧气和水共同反应生成HNO3，某学生设计了如图所示装置（有关夹持装置已略去）．
①检查装置气密性良好后，为观察到NO气体生成，打开K1，关闭K2，应从U形管的长管口注入稀硝酸至______后，迅速关闭K1，观察到U形管内的现象是______．
②装置Ⅲ中发生反应的化学方程式为______．
③蘸NaOH溶液的棉花团的作用是______．
④打开K2，至装置Ⅱ中长玻璃管中的气体呈无色后，打开K3，反应一段时间后，长玻璃管中并未充满液体．设计简单方法检验长玻璃管中的气体是否含NO______．
正确答案
4NO2+O2+2H2O═4HNO3
注入稀硝酸应至U形管右侧胶塞下沿
U形管左端液面高于右端，铜丝慢慢溶解，产生无色气体，溶液逐渐变蓝
2H2O2
吸收氮的氧化物防止污染环境
再打开K3，若观察到长玻璃管中气体迅速变为红棕色，则证明余气含NO，若无颜色变化，则证明不含NO
解析
解：（1）水吸收水NO2生产HNO3和NO，化学方程式为：4NO2+O2+2H2O═4HNO3，故答案为：4NO2+O2+2H2O═4HNO3（或分成两个方程式写）；
（2）①加入的硝酸应跟铜丝充分接触，u型管内因不溶性气体NO的生成产生压强差，溶液总生成硝酸铜溶液颜色变为蓝色，方程式：3 Cu+8 HNO3=3 Cu（NO3）2+2 NO↑+4 H2O，故答案为：注入稀硝酸应至U形管右侧胶塞下沿，迅速关闭K1后，U形管左端液面高于右端，铜丝慢慢溶解，产生无色气体，溶液逐渐变蓝；
②Ⅲ中双氧水在二氧化锰的催化作用下反应生成O2，方程式为：2H2O2
③蘸NaOH溶液的棉花团的作用是吸收NO和空气中的氧气反应生成的NO2防止污染环境，故答案为：吸收氮的氧化物防止污染环境；
④NO是无色的气体，要想检验它的存在可以通过氧化反应转化成红棕色的NO2，化学方程式：2NO+O2=2NO2，
故答案为：再打开K3，若观察到长玻璃管中气体迅速变为红棕色，则证明余气含NO，若无颜色变化，则证明不含NO．
如图是工业生产硝酸的流程．
合成塔中内置铁触媒，氧化炉中内置Pt-Rh合金．请回答下列问题：
（1）1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨．2007年格哈德•埃特尔在哈伯研究所证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程，示意如下：
（2）已知N≡N的键能是946kJ•mol-1，H-H的键能为436kJ•mol-1，N-H的键能为393kJ•mol-1，写出合成塔中发生反应的热化学方程式______．
（3）已知4NH3（g）+3O2（g）═2N2（g）+6H2O（g）△H=-1266.8kJ•mol-1；
4NH3（g）+5O2（g）═4NO（g）+6H2O（g）△H=-905.8kJ•mol-1；
则热化学方程式N2（g）+O2（g）═2NO（g）△H=______kJ•mol-1．
（4）吸收塔中通入空气的目的是______．
正确答案
解析
解：（1）氮气、氢气在催化剂表面合成氨反应过程的顺序为：图①氮气分子和氢气分子向催化剂表面靠近，图②氮气和氢气吸附在催化剂的表面，图③在催化剂的作用下分解成氢原子和氮原子，图④表示氮原子与氢原子重新结合成氨分子，图⑤生成的氨气离开催化剂表面，
故答案为：图②表示N2、H2被吸附在催化剂表面；图③表示在催化剂表面N2、H2中的化学键断裂；
（2）在反应N2+3H2⇌2NH3中，断裂3molH-H键，1molN≡N键共吸收的能量为：3×436kJ+946kJ=2254kJ，生成2mol NH3，共形成6mol N-H键，放出的能量为：6×393kJ=2358kJ，吸收的能量少，放出的能量多，该反应为放热反应，放出的热量为：2358kJ-2254kJ=104kJ，该反应的热化学方程式为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-104kJ•mol-1，
故答案为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-104kJ•mol-1；
（3）①4NH3（g）+3O2（g）═2N2（g）+6H2O（g）△H=-1266.8kJ•mol-1；
②4NH3（g）+5O2（g）═4NO（g）+6H2O（g）△H=-905.8kJ•mol-1；
根据盖斯定律②÷2-①÷2可得：N2（g）+O2（g）═2NO（g）△H=
故答案为：+180.5；
（4）吸收塔中通入空气，可以增加氧气的浓度，使NO循环利用，全部转化成HNO3，故答案为：使NO循环利用，全部转化成HNO3．
工业上硝酸的制备和自然界中硝酸的生成既有相同之处，又有区别．路线①②③是工业生产硝酸的主要途径，路线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是雷电高能固氮过程中硝酸的生成途径．
（1）写出N2的一种用途______．
（2）实验室制取物质NH3的化学方程式为______．
（3）写出工业制硝酸第③步反应化学方程式______．
（4）硝酸是一种强氧化性、腐蚀性的强酸，其还原产物因硝酸浓度的不同而有变化，从总体上说，硝酸浓度越高，平均每分子硝酸得到的电子数越少，浓硝酸的还原产物主要为NO2，稀硝酸的还原产物主要为NO． 实验室中，常用Cu与浓HNO3反应制取NO2，用Cu与稀HNO3反应制取NO．
（ⅰ）请写出实验室中用Cu与浓HNO3反应制取NO2的化学方程式：______．该反应中发生氧化反应的物质是______，1mol氧化剂______（填“得到”或“失去”）______ mol电子．
（ⅱ）48.0g Cu与适量的浓HNO3反应，铜全部溶解后，共收集到标准状况下22.4L的气体（NO2和NO的混合气体），反应中消耗HNO3的物质的量是______
A．1.5mol B．2.0mol C．2.5mol D．3.0mol
（ⅲ）实际上硝酸不仅可被还原为NO2或NO，浓度更稀时硝酸还可以被还原为N2O、N2、NH4NO3等．请将3种物质：FeSO4、Fe（NO3）3和Fe2（SO4）3分别填入下面对应的横线上，组成一个未配平的化学方程式．
HNO3+______+______+N2O↑+H2O
写出对应离子方程式______．
正确答案
解析
解：（1）由于氮气的化学性质比较稳定，焊接金属时可以用氮气做保护气，储存粮食时也可以用氮气代替空气，避免粮食变质，工业合成氨中以氮气为原料，
故答案为：做保护气（或保存粮食、制氨气等）；
（2）实验室中用氢氧化钙与氯化铵加热反应生成氯化钙、氨气和水，反应方程式为：Ca（OH）2+2NH4Cl
故答案为：Ca（OH）2+2NH4Cl
（3）工业制硝酸第③步反应为二氧化氮与水反应生成硝酸，反应的化学方程式为：3NO2+H2O=2HNO3+NO，
故答案为：3NO2+H2O=2HNO3+NO；
（4）（ⅰ）铜与浓硝酸反应生成硝酸铜、二氧化氮与水，反应方程式为：Cu+4HNO3（浓）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O；
反应中Cu元素化合价升高，发生氧化反应，硝酸是氧化剂，获得电子，其化合价由+5降低为+4，故1mol硝酸完全其氧化剂作用，转移电子为1mol，
故答案为：Cu+4HNO3（浓）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O；Cu；得到； 1；
（ⅱ）铜和硝酸反应，随着浓度的减少，硝酸的还原产物的价态越低，铜和浓硝酸反应生成NO2，而与稀硝酸反应时则生成NO，故生成的气体可能只有NO2或NO2和NO混合物，由于每个气体分子都含有1个N原子，故气体的物质的量等于被还原的硝酸的物质的量，
n（气体）=
n（Cu）=
则参加反应的硝酸的物质的量为：1.0mol+1.5mol=2.5mol，
故答案为：C；
（ⅲ） 所给的物质组合中，HNO3中氮元素化合价位于最高价，具有氧化性，对应还原产物为NO2，能将还原性的FeSO4氧化为Fe2（SO4）3，根据氢原子守恒，水在生成物中，配平后发生的反应为：30HNO3+24FeSO4=8Fe（NO3）3+8Fe2（SO4）3+3N2O+15H2O，改写成离子方程式为：8Fe2++2NO3-+10H+=8Fe3++N2O↑+5H2O，
故答案为：FeSO4；→Fe（NO3）3+Fe2（SO4）3；8Fe2++2NO3-+10H+=8Fe3++N2O↑+5H2O．
工业上常用氨氧化法生产硝酸，其生产过程包括氨的催化氧化（催化剂为铂铑合金丝网）、一氧化氮的氧化和水吸收二氧化氮生成硝酸．请回答下列问题：
（1）氨催化氧化反应在一定温度下（水为气体）为正反应放热的可逆反应，写出该反应的化学方程式______和平衡常数表达式K=______，若升高温度，则K的值______（填“增大”“减小”或“不变”）．
（2）为了提高NH3的转化率，可以采取______．
a．减小压强b．增大反应物浓度c．使用催化剂d．降低温度e．及时分离出NH3
（3）原料气中空气必须过量，其主要原因是______．
（4）将铂铑合金做成薄丝网的主要原因是______．
（5）水吸收二氧化氮生成硝酸为放热反应，其化学方程式为______，
为了提高水对二氧化氮的吸收率，可采取的措施为______（答2项）．
正确答案
解析
解：（1）氨催化氧化的产物是一氧化氮和水，是工业生产硝酸获得一氧化氮的一步反应，化学方程式为4NH3+5O2
化学平衡常数，是指在一定温度下，可逆反应达到平衡时各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值，故：4NH3+5O2
该反应正反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，生成物浓度减小，反应物浓度增大，所以K值减小；
故答案为：4NH3+5O2
（2）4NH3+5O2
a．减小压强，平衡向体积增大的方向移动，向正反应进行，氨气的转化率增大，故a正确；
b．增大反应物氧气的浓度，平衡向正反应方向移动，氨气的转化率增大，故b正确；
c．使用催化剂平衡不移动，NH3转化率不变，故c错误；
d．降低温度平衡向放热的方向移动，即正反应方向移动，NH3转化率提高，故d正确；
e．及时分离出NH3平衡逆向移动，NH3转化率降低，故e错误；
故选abd；
（3）根据化学平衡移动原理：增加原料气中空气的量，即加大了氧气的量可以使平衡向右移动，提高氨的转化率和一氧化氮的生成率，
故答案为：提高氨的转化率和一氧化氮的生成率；
（4）在氨催化氧化时，将铂铑合金做成薄丝网，可以增大单位质量的催化剂与反应物的接触面积，让反应更充分，
故答案为：增大单位质量的催化剂与反应物的接触面积；
（5）水吸收二氧化氮生成硝酸的反应为3NO2+H2O=2HNO3+NO，该反应放热，可以使平衡向右移动的方法是：加压、降温或及时把生成的硝酸移走，
故答案为：3NO2+H2O=2HNO3+NO；加压、降温（及时移走生成的硝酸）．
某化肥厂以氨和空气（其中氧气的体积分数为0.2）为原料生产硝酸铵过程如下：
其中反应①为4NH3+5O2
（1）步骤②中发生了两个反应，将这两个化学方程式合并为一个化学方程式，可表示为______．
（2）若不考虑副反应且各步反应均完全，为使生产过程中不再补充空气，则原料气中氨（包括第③步被硝酸吸收的氨）的体积分数最大值为______．
（3）假设实际生产中，反应①、②中含氮物质的利用率分别为a、b，反应③中氨的利用率为c、硝酸的利用率为100%，则合成硝酸铵的整个流程中，氨的总利用率是多少？______．
正确答案
解析
解：（1）反应②涉及这样几步反应：2NO+O2 =2NO2 A，3NO2+H2O=2HNO3+NO B，A×3+B×2，消去中间物NO2，得：4NO+3O2+2H2O=4HNO3，
故答案为：4NO+3O2+2H2O=4HNO3；
（2）整个过程包括这样几步反应：4NH3+5O2
NH3+HNO3=NH4NO3 ③，将①+②+③×4，约简得：2NH3+2O2=NH4NO3 +H2O
由n（NH3）：n（O2）=1：1 推知V（NH3）：V（空气）=1：5 则原料气中氨（包括第③步被硝酸吸收的氨）的体积分数最大值为
故答案为：
（3）解法一：假设消耗NH3的总物质的量为1mol，其中用于制取HNO3的NH3的物质的量为x mol，被HNO3吸收的NH3的物质的量为ymol，反应①、②中生成的硝酸为abxmol，NH3+HNO3=NH4NO3 ，abx=cy，则：x+y=1、abx=cy，解得：x=
解法二：假设第①步参加反应的氨气的物质的量为4mol，反应①、②中含氮物质的利用率分别为a、b，则：生成硝酸的物质的量4abmol，NH3+HNO3=NH4NO3 ，反应③中氨的利用率为c，第③步需要氨气的物质的量为
氨的总利用率=
故答案为：
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