- 硝酸在化学工业上的应用
- 共70题
工业上制取硝酸铵的流程图如图，请回答下列问题：
（1）在上述工业制硝酸的生产中，B设备的名称是______，其中发生反应的化学方程式为______．
（2）在合成硝酸的吸收塔中通入空气的目的是______．
（3）生产硝酸的过程中常会产生一些氮的氧化物，可用如下两种方法处理：
碱液吸收法：NO+NO2+2NaOH═2NaNO2+H2O
NH3还原法：______NH3+______NO2N2+______H2O
①配平上述反应方程式；
②以上两种方法中，符合绿色化学的是______．
（4）某化肥厂用NH3制备NH4NO3．已知：由NH3制NO的产率是96%、NO制HNO3的产率是92%，则制HNO3，所用去的NH3的质量占总耗NH3质量（不考虑其它损耗）的______%．
正确答案
解：（1）在上述工业制硝酸的生产中，B设备是进行氨的催化氧化反应，在氧化炉中进行；发生反应的方程式为：4NH3+5O2
故答案为：氧化炉；4NH3+5O2
（2）在合成硝酸的吸收塔中通入足量空，确保有充足的氧气可使NO循环利用，全部转化成HNO3，
故答案为：可使NO循环利用，全部转化成HNO3；
（3）①氨气分子中N元素的化合价为-3价，二氧化氮中N元素的化合价为+4价，氮气中N元素化合价为0价，氨气生成氮气，化合价升高3价，二氧化氮生成氮气，化合价降低4价，则化合价变化的最小公倍数为12，则氨气的系数4，二氧化氮的系数为3，由于氮气为双原子分子，则氨气的系数应该为8，二氧化氮的系数为6，然后根据质量守恒定律配平，配平后的反应为：8NH3+6NO2
故答案为：8；6；7；12；
②绿色化学是要求反应对环境无污染、原子利用率高等优点，所以NH3还原法符合绿色化学，
故答案为：NH3还原法；
（4）根据氮原子守恒可知，NH3～NO～HNO3，
则1mol氨气可得到硝酸的物质的量为：1mol×96%×92%=0.8832mol，
根据HNO3+NH3═NH4NO3可知反应消耗的氨气的物质的量为：0.8832mol，
氨气的质量之比等于物质的量之比，
则制HNO3所用去的NH3的质量占总耗NH3质量的百分数为：
故答案为：53.1．
解析
解：（1）在上述工业制硝酸的生产中，B设备是进行氨的催化氧化反应，在氧化炉中进行；发生反应的方程式为：4NH3+5O2
故答案为：氧化炉；4NH3+5O2
（2）在合成硝酸的吸收塔中通入足量空，确保有充足的氧气可使NO循环利用，全部转化成HNO3，
故答案为：可使NO循环利用，全部转化成HNO3；
（3）①氨气分子中N元素的化合价为-3价，二氧化氮中N元素的化合价为+4价，氮气中N元素化合价为0价，氨气生成氮气，化合价升高3价，二氧化氮生成氮气，化合价降低4价，则化合价变化的最小公倍数为12，则氨气的系数4，二氧化氮的系数为3，由于氮气为双原子分子，则氨气的系数应该为8，二氧化氮的系数为6，然后根据质量守恒定律配平，配平后的反应为：8NH3+6NO2
故答案为：8；6；7；12；
②绿色化学是要求反应对环境无污染、原子利用率高等优点，所以NH3还原法符合绿色化学，
故答案为：NH3还原法；
（4）根据氮原子守恒可知，NH3～NO～HNO3，
则1mol氨气可得到硝酸的物质的量为：1mol×96%×92%=0.8832mol，
根据HNO3+NH3═NH4NO3可知反应消耗的氨气的物质的量为：0.8832mol，
氨气的质量之比等于物质的量之比，
则制HNO3所用去的NH3的质量占总耗NH3质量的百分数为：
故答案为：53.1．
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：（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．
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．
南美洲干旱地区有智利硝石，是制取炸药的重要原料，其主要成分是NaNO3，还含少量NaIO3等可溶盐和不容物．NaNO3溶于水时溶液的温度降低．
（1）以下操作可从智利硝石分理出NaNO3：溶解、______．
（2）用NaNO3和浓硫酸反应可以制取硝酸，反应的化学方程式为______；热的硝酸会腐蚀橡胶，制取装置中应该用______代替胶管和胶塞．
（3）智利硝石资源有限（曾引起过南太平洋战争），现在工业上制NaNO3主要采用化学合成的方法，涉及的工业制备有（请结合课本知识回答）______、制硝酸、______等；写出工业制硝酸的化学方程式______、______．
正确答案
解：（1）智利硝石其主要成分是NaNO3，还含少量NaIO3等可溶盐和不溶物，从智利硝石分离出NaNO3，的实验步骤为溶解过滤除去不溶性杂质，通过蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤，干燥分离得到较纯净的硝酸钠，
故答案为：过滤、蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；
（2）用NaNO3和浓硫酸反应可以生成硝酸和硫酸氢钠，反应的化学方程式为：NaNO3+H2SO4=NaHSO4+2HNO3↑，硝酸具有氢氧化性能氧化橡胶，热的硝酸会腐蚀橡胶，制取装置中应该用磨砂接口代替胶管和胶塞，
故答案为：NaNO3+H2SO4
（3）现在工业上制NaNO3主要采用化学合成的方法，涉及的工业制备有氮气和氢气合成氨，氨气催化氧化生成一氧化氮和水，一氧化氮氧化为二氧化氮，二氧化氮溶于水生成硝酸，为充分吸收通入水中的氧气和一氧化氮体积比为3：4，工业制硝酸的化学方程式为：4NH3+5O2
故答案为：合成氨；氯碱工业；4NH3+5O2
解析
解：（1）智利硝石其主要成分是NaNO3，还含少量NaIO3等可溶盐和不溶物，从智利硝石分离出NaNO3，的实验步骤为溶解过滤除去不溶性杂质，通过蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤，干燥分离得到较纯净的硝酸钠，
故答案为：过滤、蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；
（2）用NaNO3和浓硫酸反应可以生成硝酸和硫酸氢钠，反应的化学方程式为：NaNO3+H2SO4=NaHSO4+2HNO3↑，硝酸具有氢氧化性能氧化橡胶，热的硝酸会腐蚀橡胶，制取装置中应该用磨砂接口代替胶管和胶塞，
故答案为：NaNO3+H2SO4
（3）现在工业上制NaNO3主要采用化学合成的方法，涉及的工业制备有氮气和氢气合成氨，氨气催化氧化生成一氧化氮和水，一氧化氮氧化为二氧化氮，二氧化氮溶于水生成硝酸，为充分吸收通入水中的氧气和一氧化氮体积比为3：4，工业制硝酸的化学方程式为：4NH3+5O2
故答案为：合成氨；氯碱工业；4NH3+5O2
硝酸的工业制法是用氨氧化法制取，其法以氨和空气为原料，在催化剂的作用下，最后在吸收塔中用水吸收制取硝酸．其具体的工艺流程如下：
请回答下列问题：
（1）从吸收塔中出来的硝酸浓度大约是50%，不能直接用于军工、染料等工业，必须将其进入蒸馏塔制成98%以上的浓硝酸．某中学实验小组，在实验室模拟蒸馏塔中对稀硝酸蒸馏时应注意选择适宜的条件是______．原因是______．（请用化学方程式解释之）
（2）在氧化炉中只发生主反应①和副反应②
4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）；△H=-905kJ•mol-1①
4NH3（g）+3O2（g）⇌2N2（g）+6H2O（g）；△H=-1268kJ•mol-1②
试写出N2氧化为NO的热化学方程式______；
（3）在氧化炉中催化氧化时，有关物质的产率与温度的关系如下图：
据图可知工业上氨催化氧化生成NO时，应该控制温度在______左右，该反应所使用的催化剂是______．
温度高于900℃时，NO产率下降的可能原因是______
______．
（4）从氧化炉中出来的气体为什么不直接进入吸收塔，而是进入热交换器？这样做的优点是______．
（5）下列措施可提高氨催化氧化生成NO的产率的是______．
A．降低反应体系的压强 B．实际生产中采用物料比n（O2）/n（NH3）为1.7～2.0
C．研究开发使用效果更好的催化剂 D．升高反应体系的温度．
正确答案
解：（1）硝酸热稳定性差，见光或受热分解4HNO3
故答案为：在低温条件下；4HNO3
（2）由盖斯定律，（①-②）×
故答案为：N2（g）+O2（g）═2NO（g）△H=+181.5 kJ•mol-1；
（3）从图象可以看在，反应温度在780～840℃，NO的产率最大，故选择800℃左右，该反应所使用的催化剂是铂或铂铑合金，
故答案为：800℃；铂或铂铑合金；
①4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）；△H=-905kJ•mol-1该反应是放热反应，温度升高平衡向逆反应方向移动，NO产率下降，
故答案为：由于生成NO的反应是放热反应，温度升高平衡向逆反应方向移动，故转化率降低；
②由图可知，温度高于900℃时，4NH3+3O2⇌2N2+6H2O，生成N2的副反应增多，NO产率下降，
故答案为：由图可知，温度高于900℃时，生成N2的副反应增多．故NO产率降低；
（4）2NO+O2=2NO2，该反应是放热反应，从氧化炉中出来的气体进入热交换器，这样做既可以降低NO和O2混合气的温度，又可以预热NH3和空气，达到节约能源的目的，
故答案为：这样做既可以降低NO和O2混合气的温度，又可以预热NH3和空气，达到节约能源的目的；
（5）4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）；△H=-905kJ•mol-1该反应是气体体积增大的、放热的反应，为了提高氨催化氧化生成NO的产率，需使化学平衡向正反应方向移动，可采取减小压强、降低温度、增大NH3的浓度，
故答案为：A、B；
解析
解：（1）硝酸热稳定性差，见光或受热分解4HNO3
故答案为：在低温条件下；4HNO3
（2）由盖斯定律，（①-②）×
故答案为：N2（g）+O2（g）═2NO（g）△H=+181.5 kJ•mol-1；
（3）从图象可以看在，反应温度在780～840℃，NO的产率最大，故选择800℃左右，该反应所使用的催化剂是铂或铂铑合金，
故答案为：800℃；铂或铂铑合金；
①4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）；△H=-905kJ•mol-1该反应是放热反应，温度升高平衡向逆反应方向移动，NO产率下降，
故答案为：由于生成NO的反应是放热反应，温度升高平衡向逆反应方向移动，故转化率降低；
②由图可知，温度高于900℃时，4NH3+3O2⇌2N2+6H2O，生成N2的副反应增多，NO产率下降，
故答案为：由图可知，温度高于900℃时，生成N2的副反应增多．故NO产率降低；
（4）2NO+O2=2NO2，该反应是放热反应，从氧化炉中出来的气体进入热交换器，这样做既可以降低NO和O2混合气的温度，又可以预热NH3和空气，达到节约能源的目的，
故答案为：这样做既可以降低NO和O2混合气的温度，又可以预热NH3和空气，达到节约能源的目的；
（5）4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）；△H=-905kJ•mol-1该反应是气体体积增大的、放热的反应，为了提高氨催化氧化生成NO的产率，需使化学平衡向正反应方向移动，可采取减小压强、降低温度、增大NH3的浓度，
故答案为：A、B；
硝酸铵是一种重要的工业产品，某工厂制备硝酸铵的流程图如下．请回答下列问题：
（1）在上述工业制硝酸的生产中，B设 备的名称是______，其中发生反应的化学方程式为______．
（2）1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨，2007年诺贝尔化学奖获得者格哈德•埃持尔在哈伯研究基础上证实了氨气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程，示意图如图2：
已知图⑤表示生成的NH3离开催化剂表面，图②和图③的含义分别是______．
（3）在合成氨的设备（合成塔）中，设置热交换器的目的是______；在合成硝酸的吸收塔中通入空气的目的是______．
（4）若用NH3制取NO的转化率为96%，NO转化则制取HNO3的氨占全部氨的物质的量分数为______．
正确答案
解：（1）B中氨气被催化氧化生成一氧化氮，反应的化学方程式为：4NH3+5O2
故答案为：氧化炉（或氧化器）；4NH3+5O2
（2）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：N2、H2被吸附在催化剂表面；在催化剂表面，N2、H2中化学键断裂；
（3）合成氨的反应属于放热反应，反应过程中会放出大量的热，用热交换器可以充分利用余热，节约能源；在吸收塔中二氧化氮与水反应生成硝酸和NO，通入空气，NO能被空气中的氧气氧化为二氧化氮，二氧化氮再与水反应生成硝酸，这样使NO循环利用，全部转化为硝酸；
故答案为：利用余热，节约能源；可使NO循环利用，全部转化成HNO3；
（4）由NH3制NO的产率是96%，根据氮原子守恒可知，NH3～NO～HNO3，则1mol氨气可得到硝酸1mol×96%=0.96mol，由HNO3+NH3═NH4NO3，则该反应消耗的氨气的物质的量为0.96mol，氨气的质量之比等于物质的量之比，则制HNO3所用去的NH3的质量占总耗NH3质量的百分数为：
故答案为：51%．
解析
解：（1）B中氨气被催化氧化生成一氧化氮，反应的化学方程式为：4NH3+5O2
故答案为：氧化炉（或氧化器）；4NH3+5O2
（2）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：N2、H2被吸附在催化剂表面；在催化剂表面，N2、H2中化学键断裂；
（3）合成氨的反应属于放热反应，反应过程中会放出大量的热，用热交换器可以充分利用余热，节约能源；在吸收塔中二氧化氮与水反应生成硝酸和NO，通入空气，NO能被空气中的氧气氧化为二氧化氮，二氧化氮再与水反应生成硝酸，这样使NO循环利用，全部转化为硝酸；
故答案为：利用余热，节约能源；可使NO循环利用，全部转化成HNO3；
（4）由NH3制NO的产率是96%，根据氮原子守恒可知，NH3～NO～HNO3，则1mol氨气可得到硝酸1mol×96%=0.96mol，由HNO3+NH3═NH4NO3，则该反应消耗的氨气的物质的量为0.96mol，氨气的质量之比等于物质的量之比，则制HNO3所用去的NH3的质量占总耗NH3质量的百分数为：
故答案为：51%．
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