- 硝酸在化学工业上的应用
- 共70题
（2015秋•嘉兴校级期中）工业生产硝酸铵的流程如图1所示
（1）硝酸铵的水溶液呈______（填“酸性”、“中性”或“碱性”）；其水溶液中各离子的浓度大小顺序为：______．
（2）已知N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H＜0，当反应器中按n（N2）：n（H2）=1：3投料，分别在200℃、400℃、600℃下达到平衡时，混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线如图2．
①曲线a对应的温度是______．
②关于工业合成氨的反应，下列叙述正确的是______
A．及时分离出NH3可以提高H2的平衡转化率
B．P点原料气的平衡转化率接近100%，是当前工业生产工艺中采用的温度、压强条件
C．图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N）
D．M点对应的H2转化率是75%
E．如果N点时c（NH3）=0.2mol•L-1，N点的化学平衡常数K≈0.93
（3）尿素（H2NCONH2）是一种非常重要的高效氮肥，工业上以NH3、CO2为原料生产尿素，该反应实际为二步反应：第一步：2NH3（g）+CO2（g）═H2NCOONH4（s）△H=-272kJ•mol-1
第二步：H2NCOONH4（s）═CO（NH2）2（s）+H2O（g）△H=+138kJ•mol-1
写出工业上以NH3、CO2为原料合成尿素的热化学方程式：______
（4）某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0.5L密闭容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，实验测得反应中各组分随时间的变化如图3所示：
①已知总反应的快慢由慢的一步决定，则合成尿素总反应的快慢由第______步反应决定，总反应进行到______min时到达平衡．
②反应进行到10min时测得CO2的物质的量如图4所示，则用CO2表示的第一步反应的速率v（CO2）=______mol•L-1•min-1．
③在图中画出第二步反应的平衡常数K随温度的变化的示意图．
正确答案
酸性
c（NO3-）＞c（NH4+）＞c（H+）＞c（OH-）
200℃
ACDE
2NH3（g）+CO2（g）⇌H2O（g）+CO（NH2）2（s）△H=-134kJ/mol
二
55
0.148
解析
解：（1）硝酸铵的水溶液中铵根离子水解会使溶液呈酸性，硝酸铵中硝酸根和铵根离子溶液相等，但部分铵根水解，浓度减小，所以溶液中离子浓度大小关系是c（NO3-）＞c（NH4+）＞c（H+）＞c（OH-），
故答案为：酸性；c（NO3-）＞c（NH4+）＞c（H+）＞c（OH-）；
（2）①合成氨的反应为放热反应，反应温度越高，越不利于反应的进行，曲线a的氨气的物质的量分数最高，其反应温度对应相对最低，所以a曲线对应温度为200°C；
故答案为：200℃；
②A、及时分离出NH3，可以使平衡正向进行，可以提高H2的平衡转化率，故A正确；
B、P点原料气的平衡转化率接近100%，但此时压强为100MPa，对设备的要求太高，成本高，不是当前工业生产工艺中采用的温度、压强条件，故B错误；
C、平衡常数与温度有关，与其他条件无关，同一温度下的平衡常数相同，反应是放热反应，温度越高平衡常数越小，上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N），故C正确；
D、M点时氨的物质的量的分数为60%，利用三段式，设H2转化率是x
根据反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
起始 1 3 0
转化 x 3x 2x
平衡 1-x 3-3x 2x
E、N点时氨的物质的量的分数为20%，利用三段式，设N2转化率是b，N2的起始浓度为a，
根据反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
起始 a 3a 0
转化 ab 3ab 2ab
平衡 a-ab 3a-3ab 2ab
根据题意有
故答案为：ACDE；
（3）根据盖斯定律，①2NH3（g）+CO2（g）═H2NCOONH4（s）△H=-272kJ•mol-1；②H2NCOONH4（s）═CO（NH2）2（s）+H2O（g）△H=+138kJ•mol-1；将①+②可得以NH3、CO2为原料合成尿素的热化学方程式为2NH3（g）+CO2（g）⇌H2O（g）+CO（NH2）2（s）△H=-134kJ/mol，
故答案为：2NH3（g）+CO2（g）⇌H2O（g）+CO（NH2）2 （s）△H=-134kJ/mol；
（4）①由图象可知在15分钟左右，氨气和二氧化碳反应生成氨基甲酸铵后不再变化发生的是第一步反应，氨基甲酸铵先增大再减小最后达到平衡，发生的是第二部反应，从曲线斜率不难看出第二步反应速率慢，所以合成尿素总反应的快慢由第二步反应决定，根据图可知，尿素在55分钟时，物质的量不再变化，即反应达到平衡，所以总反应进行到55min时到达平衡，
故答案为：二；55；
②反应进行到10 min时测得CO2的物质的量为0.26mol，二氧化碳的浓度变化为：c（CO2）=
则用CO2表示的第一步反应的速率（CO2）=
故答案为：0.148；
③第二步反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应方向移动，平衡常数增大，所以第二步反应的平衡常数K随温度的变化的示意图为：
故答案为：
工业制硝酸经以下一系列反应（如图1）：
（1）写出反应④的化学方程式______，实验室收集NO的方法是______．
（2）对于氮的化合物，下列说法不正确的是（选填序号字母）______．
a．氨可用作制冷剂
b．铵态氮肥一般不能与碱性化肥共同使用
c．硝酸可用于制化肥、农药、炸药、染料、盐类等
d．某浓硝酸中含有溶质2mol，标准状况下，该浓硝酸与足量的铜完全反应能生成1mol NO2
（3）已知：H2（g）+
N2（g）+3H2（g）=2NH3（g）△H2=-92.0kJ/mol
则34g氨气与氧气反应生成N2（g）与H2O（g）时，△H=______ kJ/mol．
（4）氨气在微生物的作用下与氧气反应生成HNO2，写出该反应的化学方程式______．
（5）氨气是氮肥工业的重要原料，某化肥厂生产铵态氮肥（NH4）2SO4的部分工艺流程如图2：向装有CaSO4悬浊液的沉淀池中先通氨气，再通CO2的原因（请从溶解度和溶解平衡角度分析）______．
正确答案
解：（1）反应④是二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮，反应的化学方程式3NO2+H2O=2HNO3+NO；一氧化氮不溶于水，易被空气中的氧气氧化选择收集方法，实验室收集NO的方法是排水法；
故答案为：3NO2+H2O=2HNO3+NO；排水法；
（2）a．液氨挥发过程中吸收能量，可用作制冷剂，故a正确；
b．铵态氮肥溶解后铵根离子水解显酸性，一般不能与碱性化肥共同使用，故b正确；
c．硝酸可用于制化肥、农药、炸药、染料、盐类等，故c正确；
d．某浓硝酸中含有溶质2mol，标准状况下，该浓硝酸与足量的铜完全反应，随反应进行溶液浓度变稀后反应生成一氧化氮气体，生成NO2 小于1mol，故d错误；
故答案为：d；
（3）①H2（g）+
②N2（g）+3H2（g）=2NH3（g）△H2=-92.0kJ/mol
依据盖斯定律①×3-②得到：2NH3+
则34g氨气物质的量=
故答案为：-633.4；
（4）氨气在微生物的作用下与氧气反应生成HNO2，反应的化学方程式为：2NH3+3O2=2HNO2+2H2O，
故答案为：2NH3+3O2
（5）先通入足量NH3，再通入CO2的原因是：氨在水中溶解度大，使溶液呈碱性，有利于吸收CO2，增大c（CO32-），促使CaSO4转化为CaCO3，同时生成（NH4）2SO4；
故答案为：NH3极易溶于水且溶于水后呈碱性，增加了CO2的溶解度，生成了大量的CO32-，使CaSO4（s）⇌Ca2+（aq）+SO42-（aq）溶解平衡向右移动，提高了（NH4）2SO4的产量．
解析
解：（1）反应④是二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮，反应的化学方程式3NO2+H2O=2HNO3+NO；一氧化氮不溶于水，易被空气中的氧气氧化选择收集方法，实验室收集NO的方法是排水法；
故答案为：3NO2+H2O=2HNO3+NO；排水法；
（2）a．液氨挥发过程中吸收能量，可用作制冷剂，故a正确；
b．铵态氮肥溶解后铵根离子水解显酸性，一般不能与碱性化肥共同使用，故b正确；
c．硝酸可用于制化肥、农药、炸药、染料、盐类等，故c正确；
d．某浓硝酸中含有溶质2mol，标准状况下，该浓硝酸与足量的铜完全反应，随反应进行溶液浓度变稀后反应生成一氧化氮气体，生成NO2 小于1mol，故d错误；
故答案为：d；
（3）①H2（g）+
②N2（g）+3H2（g）=2NH3（g）△H2=-92.0kJ/mol
依据盖斯定律①×3-②得到：2NH3+
则34g氨气物质的量=
故答案为：-633.4；
（4）氨气在微生物的作用下与氧气反应生成HNO2，反应的化学方程式为：2NH3+3O2=2HNO2+2H2O，
故答案为：2NH3+3O2
（5）先通入足量NH3，再通入CO2的原因是：氨在水中溶解度大，使溶液呈碱性，有利于吸收CO2，增大c（CO32-），促使CaSO4转化为CaCO3，同时生成（NH4）2SO4；
故答案为：NH3极易溶于水且溶于水后呈碱性，增加了CO2的溶解度，生成了大量的CO32-，使CaSO4（s）⇌Ca2+（aq）+SO42-（aq）溶解平衡向右移动，提高了（NH4）2SO4的产量．
氨氧化法是工业生产中制取硝酸的主要途径，某同学用该原理在实验室探究硝酸的制备和性质，设计了如图1所示的装置．
（1）若分液漏斗中氨水的浓度为9.0mol•L-1，配制该浓度的氨水100mL，用到的玻璃仪器有100mL容量瓶、烧杯、玻璃棒、______．
（2）甲装置不需要加热即能同时产生氨气和氧气，烧瓶内固体X的名称为______．
（3）乙装置的作用是______；写出受热时丙装置发生反应的化学方程式为______．
（4）当戊中观察到______现象，则说明已制得硝酸．某同学按上图组装仪器并检验气密性后进行实验，没有观察到此现象，请分析实验失败的可能原因______．
（5）为测定试管丁内硝酸溶液的浓度，从中取10mL溶液于锥形瓶中，用0.1mol•L-1的NaOH溶液滴定．滴定前发现滴定管尖嘴处有少量气泡，请从图2中选择排出气泡的正确操作是______．
正确答案
解：（1）量取浓氨水要用量筒，稀释浓氨水要用烧杯、玻璃棒，配制溶液要用100mL容量瓶，胶头滴管，
故答案为：胶头滴管、量筒；
（2）甲装置不需要加热即能同时产生氨气和氧气，说明固体X溶于氨水即放热又产生氧气，则该固体为过氧化钠，
故答案为：过氧化钠；
（3）乙装置为干燥管，作用是干燥氧气和氨气的混合气体；丙装置发生反应的化学方程式为4NH3+5O2
故答案为：干燥氧气和氨气的混合气体； 4NH3+5O2
（4）因为硝酸具有酸性，能使紫色石蕊试液变红，所以当戊中观察到紫色石蕊试液变红，说明已制得硝酸；没有观察到现象说明溶液不呈酸性，则生成的硝酸与过量的氨气发生了反应；在丙和丁之间连接盛有无水氯化钙的干燥管或盛有浓硫酸的洗气瓶除去多余的氨气确保戊溶液呈酸性，
故答案为：紫色石蕊试液变红；过量的氨气致使戊中溶液不一定呈酸性；在丙和丁之间连接盛有无水氯化钙的干燥管或盛有浓硫酸的洗气瓶；
（5）用0.1mol•L-1的NaOH溶液滴定选择碱式滴定管，图2中a、c都为酸式滴定管，滴定前发现滴定管尖嘴处有少量气泡，排出气泡的正确操作是b，
故答案为：b．
解析
解：（1）量取浓氨水要用量筒，稀释浓氨水要用烧杯、玻璃棒，配制溶液要用100mL容量瓶，胶头滴管，
故答案为：胶头滴管、量筒；
（2）甲装置不需要加热即能同时产生氨气和氧气，说明固体X溶于氨水即放热又产生氧气，则该固体为过氧化钠，
故答案为：过氧化钠；
（3）乙装置为干燥管，作用是干燥氧气和氨气的混合气体；丙装置发生反应的化学方程式为4NH3+5O2
故答案为：干燥氧气和氨气的混合气体； 4NH3+5O2
（4）因为硝酸具有酸性，能使紫色石蕊试液变红，所以当戊中观察到紫色石蕊试液变红，说明已制得硝酸；没有观察到现象说明溶液不呈酸性，则生成的硝酸与过量的氨气发生了反应；在丙和丁之间连接盛有无水氯化钙的干燥管或盛有浓硫酸的洗气瓶除去多余的氨气确保戊溶液呈酸性，
故答案为：紫色石蕊试液变红；过量的氨气致使戊中溶液不一定呈酸性；在丙和丁之间连接盛有无水氯化钙的干燥管或盛有浓硫酸的洗气瓶；
（5）用0.1mol•L-1的NaOH溶液滴定选择碱式滴定管，图2中a、c都为酸式滴定管，滴定前发现滴定管尖嘴处有少量气泡，排出气泡的正确操作是b，
故答案为：b．
工业上用氨气与空气的混合气在一定条件下制硝酸，发生的反应是：
①4NH3+5O2→4NO+6H2O
②4NO+3O2+2H2O→4HNO3
设空气中氧气的体积分数为0.20，氮气体积分数为0.80，请完成下列填空及计算：
（1）为使氨气恰好完全氧化为一氧化氮，氨气与空气的混合气中氨的体积分数（用小数表示）为______（保留2位小数）．
（2）现将1mol的氨气与12mol的空气混合反应，可得到硝酸______mol；
（3）向上述溶液中加入______mL 20%的硝酸（密度为1.11g/mL），才能得到69%的硝酸溶液．
（4）现有100mol的原料气，其中含氨气为xmol，反应后生成的硝酸ymol．在得到硝酸的条件下，写出x与y的关系式．（写出解题过程）
正确答案
解：（1）氨气恰好完全氧化为一氧化氮，发生反应4NH3+5O2→4NO+6H2O，氨气和氧气物质的量之比为4：5，即氨气和空气物质的量之比为4：（5÷0.2）=4：25，所以氨气所占体积分数即物质的量分数为
（2）将1mol的氨气与12mol的空气混合反应，12mol空气中含氧气2.4mol，根据NH3+2O2=HNO3+H2O可知氨气全部转化为硝酸，氧气过量，因此生成1molHNO3，1molH2O，故答案为：1；
（3）上述反应得到的硝酸溶液为1molHNO3，1molH2O，质量为81g，根据溶液中硝酸物质的量和加入硝酸物质的量之和为69%的硝酸溶液中所含硝酸溶质的物质的量，列式计算：设加入20%的硝酸体积为v，则根据溶质相等得63+v•1.11×20%=（81+v•1.11）×69%，解得v=13.07ml，故答案为：13.07；
（4）100ml混合气体中氨气为xmol，空气为（100-x）ml，氧气为0.2×（100-x）ml；
若按反应4NH3+5O2→4NO+6H2O进行，无硝酸生成，氨气与氧气按照4：5反应，则4：5=x：0.2×（100-x），x=
若恰好按反应NH3+2O2=HNO3+H2O进行，氨气全部转化为硝酸，氨气和氧气按照1：2进行，则1：2=x：0.2×（100-x），
x=
讨论：①当x≤
②当x≥
③当
答：①x≤
②
解析
解：（1）氨气恰好完全氧化为一氧化氮，发生反应4NH3+5O2→4NO+6H2O，氨气和氧气物质的量之比为4：5，即氨气和空气物质的量之比为4：（5÷0.2）=4：25，所以氨气所占体积分数即物质的量分数为
（2）将1mol的氨气与12mol的空气混合反应，12mol空气中含氧气2.4mol，根据NH3+2O2=HNO3+H2O可知氨气全部转化为硝酸，氧气过量，因此生成1molHNO3，1molH2O，故答案为：1；
（3）上述反应得到的硝酸溶液为1molHNO3，1molH2O，质量为81g，根据溶液中硝酸物质的量和加入硝酸物质的量之和为69%的硝酸溶液中所含硝酸溶质的物质的量，列式计算：设加入20%的硝酸体积为v，则根据溶质相等得63+v•1.11×20%=（81+v•1.11）×69%，解得v=13.07ml，故答案为：13.07；
（4）100ml混合气体中氨气为xmol，空气为（100-x）ml，氧气为0.2×（100-x）ml；
若按反应4NH3+5O2→4NO+6H2O进行，无硝酸生成，氨气与氧气按照4：5反应，则4：5=x：0.2×（100-x），x=
若恰好按反应NH3+2O2=HNO3+H2O进行，氨气全部转化为硝酸，氨气和氧气按照1：2进行，则1：2=x：0.2×（100-x），
x=
讨论：①当x≤
②当x≥
③当
答：①x≤
②
工业上以氨气为原料（铂铑合金网为催化剂）催化氧化法制硝酸的过程如下：
（1）已知反应一经发生，铂铑合金网就会处于红热状态．写出氨催化氧化的化学方程式：______．当温度升高时，化学平衡常数K值______（填“增大”、“减小”或“不变”）
（2）硝酸厂尾气常用的处理方法是催化还原法：催化剂存在时用H2将NO2还原为N2．
已知：2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）△H=a kJ•mol-1
N2（g）+2O2（g）=2NO2（g）△H=b kJ•mol-1
H2O（l）=H2O（g）△H=c kJ•mol-1
则反应2NO2（g）+4H2（g）=N2（g）+4H2O（l）的△H=______．（用a、b、c表示）
（3）①氨气是制取硝酸的重要原料，合成氨反应的化学方程式为N2+3H2
A．容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1：3：2
B．3v正（N2）=v逆（H2）
C．容器内压强保持不变
D．混合气体的密度保持不变
E．1mol N≡N键断裂，同时1mol H-H键断裂
②若在恒温条件下，将N2与H2按一定比例混合通入一个容积为2L的固定容积的密闭容器中，5min后反应达平衡，n（N2）=1mol，n（H2）=1mol，n（NH3）=2mol，则反应速率v（N2）=______，平衡常数K=______．若保持容器的温度和容积不变，将上述平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍，则平衡______（填“向左”、“向右”或“下”）移动．平衡常数K______（填“变大”“变小”“不变”）
正确答案
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反应，化学方程式为4NH3+5O2
（2）已知：
①2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）△H=a kJ•mol-1
②N2（g）+2O2（g）=2NO2（g）△H=b kJ•mol-1
③H2O（l）=H2O（g）△H=c kJ•mol-1
则反应2NO2（g）+4H2（g）=N2（g）+4H2O（l）的△H，由盖斯定律可知，①×2-②-4×③得△H=（2a-b-4c）kJ/mol，故答案为：（2a-b-4c）kJ/mol；
（3）①A．反应平衡时各物质的浓度是否相等，取决于起始时各物质的量的关系和转化的程度，故A错误；
B．反应达到平衡时，正逆反应速率相等，3v正（N2）=v逆（H2），v正（N2）表示消耗N2的速率，v逆（H2）表示生成H2的速率，且v正（N2）：v逆（H2）=1：3，充分说明向两个相反方向进行的程度相当，故B正确；
C．该反应是反应前后气体体积有变化的反应，所以达到平衡状态时，正逆反应速率相等，平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化，该容器中的压强不再变化时，反应达到平衡状态，故C正确；
D．根据质量守恒，反应前后混合气体的质量不变，容器的体积不变，所以混合气体的密度始终不变，不能证明该反应是否达到平衡状态，故D错误；
E．无论反应是否达到平衡状态，只要断裂1mol N≡N键断裂同时，就断裂3molH-H键，故E错误；故选B、C；
②5分钟后反应达平衡时，n（N2）=1mol，n（H2）=1mol，n （NH3）=1mol，
设参加反应的氮气的物质的量为x，则参加反应的氢气的物质的量为3x，则
N2 +3H2 ⇌2NH3
1 3 2
x 3x 2mol
x=1mol，反应速率V（N2）═
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反应，化学方程式为4NH3+5O2
（2）已知：
①2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）△H=a kJ•mol-1
②N2（g）+2O2（g）=2NO2（g）△H=b kJ•mol-1
③H2O（l）=H2O（g）△H=c kJ•mol-1
则反应2NO2（g）+4H2（g）=N2（g）+4H2O（l）的△H，由盖斯定律可知，①×2-②-4×③得△H=（2a-b-4c）kJ/mol，故答案为：（2a-b-4c）kJ/mol；
（3）①A．反应平衡时各物质的浓度是否相等，取决于起始时各物质的量的关系和转化的程度，故A错误；
B．反应达到平衡时，正逆反应速率相等，3v正（N2）=v逆（H2），v正（N2）表示消耗N2的速率，v逆（H2）表示生成H2的速率，且v正（N2）：v逆（H2）=1：3，充分说明向两个相反方向进行的程度相当，故B正确；
C．该反应是反应前后气体体积有变化的反应，所以达到平衡状态时，正逆反应速率相等，平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化，该容器中的压强不再变化时，反应达到平衡状态，故C正确；
D．根据质量守恒，反应前后混合气体的质量不变，容器的体积不变，所以混合气体的密度始终不变，不能证明该反应是否达到平衡状态，故D错误；
E．无论反应是否达到平衡状态，只要断裂1mol N≡N键断裂同时，就断裂3molH-H键，故E错误；故选B、C；
②5分钟后反应达平衡时，n（N2）=1mol，n（H2）=1mol，n （NH3）=1mol，
设参加反应的氮气的物质的量为x，则参加反应的氢气的物质的量为3x，则
N2 +3H2 ⇌2NH3
1 3 2
x 3x 2mol
x=1mol，反应速率V（N2）═
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