- 硝酸在化学工业上的应用
- 共70题
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：（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）．
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：（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：
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：
工业上以氨气为原料制备硝酸的过程如图1：
某课外小组模拟上述部分过程设计了如图2装置制备硝酸（所有橡胶制品均已被保护）．
（1）工业上用氨气制取NO的化学方程式是______．
（2）连接好该装置后，首先进行的操作是______．
（3）通入a气体的目的是______．
（4）盛有Na2CO3溶液的烧杯为尾气处理装置，该装置中反应的化学反应方程式是2NO2+Na2CO3═NaNO2+______+______．
正确答案
解：（1）工业上用氨气的催化氧化制取NO，反应方程式为：4NH3+5O2
故答案为：4NH3+5O2
（2）连接好装置后先要检验装置的气密性，当装置气密性良好才能进一步进行实验，
故答案为：检验装置的气密性；
（3）二氧化氮通入水中会生成硝酸和一氧化氮，再通氧气可以使一氧化氮转化为二氧化氮从而提高了NO2的转化率，
故答案为：提高NO2的转化率；
（4）根据元素守恒和得失电子守恒分析，2NO2和水反应生成硝酸，硝酸与碳酸钠反应生成硝酸钠和二氧化碳，
其反应方程为：2NO2+Na2CO3═NaNO2+NaNO3+CO2，
故答案为：NaNO3、CO2．
解析
解：（1）工业上用氨气的催化氧化制取NO，反应方程式为：4NH3+5O2
故答案为：4NH3+5O2
（2）连接好装置后先要检验装置的气密性，当装置气密性良好才能进一步进行实验，
故答案为：检验装置的气密性；
（3）二氧化氮通入水中会生成硝酸和一氧化氮，再通氧气可以使一氧化氮转化为二氧化氮从而提高了NO2的转化率，
故答案为：提高NO2的转化率；
（4）根据元素守恒和得失电子守恒分析，2NO2和水反应生成硝酸，硝酸与碳酸钠反应生成硝酸钠和二氧化碳，
其反应方程为：2NO2+Na2CO3═NaNO2+NaNO3+CO2，
故答案为：NaNO3、CO2．
工业上利用氨催化氧化法可制取硝酸，加入脱水剂后制得较高浓度的硝酸．以17吨氨作为原料，假设NH3全部转化为HNO3．
（1）写出NH3完全转化为HNO3的总化学反应方程式______
（2）生产过程中需加水吸收，如果与加入脱水剂后脱去水的量相等，则所得硝酸溶液的质量分数为多少？
（3）如果生产中同时制得50%的硝酸m1吨和90%的硝酸m2吨（脱去的水可循环使用，制得较低浓度的稀硝酸），若共加入27吨水，请问m1与m2的质量之比为多少？（要有简单的计算过程）
正确答案
解：（1）氨催化氧化法制硝酸的步骤：氨气催化氧化为一氧化氮、一氧化氮和氧气反应生成二氧化氮、二氧化氮和水反应生成硝酸，将以上步骤合并得到：NH3+2O2=HNO3+H2O，
故答案为：NH3+2O2=HNO3+H2O；
（2）根据化学方程式：NH3+2O2=HNO3+H2O，生产过程中需加水的量与加入脱水剂后脱去水的量相等，则硝酸的质量分数=
答：所得硝酸溶液的质量分数为77.8%；
（3）根据化学方程式：NH3+2O2=HNO3+H2O，同时制得50%的硝酸m1吨和90%的硝酸m2吨时，则
硝酸质量关系：0.5m1+0.9m2=63
水的质量关系：0.5m1+（1-0.9）m2=27+18
解得：m1=85.5吨、m2=22.5吨，
所以
答：m1与m2的质量之比为19：5．
解析
解：（1）氨催化氧化法制硝酸的步骤：氨气催化氧化为一氧化氮、一氧化氮和氧气反应生成二氧化氮、二氧化氮和水反应生成硝酸，将以上步骤合并得到：NH3+2O2=HNO3+H2O，
故答案为：NH3+2O2=HNO3+H2O；
（2）根据化学方程式：NH3+2O2=HNO3+H2O，生产过程中需加水的量与加入脱水剂后脱去水的量相等，则硝酸的质量分数=
答：所得硝酸溶液的质量分数为77.8%；
（3）根据化学方程式：NH3+2O2=HNO3+H2O，同时制得50%的硝酸m1吨和90%的硝酸m2吨时，则
硝酸质量关系：0.5m1+0.9m2=63
水的质量关系：0.5m1+（1-0.9）m2=27+18
解得：m1=85.5吨、m2=22.5吨，
所以
答：m1与m2的质量之比为19：5．
（2015秋•上海月考）硝酸与合成氨工业密切相关，氨氧化法是工业生产中制取硝酸的主要途径．
完成下列计算：
（1）合成氨时，假设100L的氮气与氢气（体积比为1：3）的混合气体通过氨合成塔充分反应后，体积变为90L，则氮气的转化率为______．（写出计算过程，计算结果请用百分数表示）
（2）标准状况下，将500L氨气溶于1L水中形成氨水，则此氨水质量分数为______．（写出计算过程，计算结果请用百分数表示，并保留1位小数）
（3）氨氧化法是将氨和空气的混合气通过灼热的铂铑合金网，在合金网的催化下，氨被氧化成一氧化氮（NO）．此时温度很高，水以水蒸气的形式存在，NO也不与O2反应．若氨气与氧气物质的量之比为1：1.7时，氨的转化率可达95%，计算反应后NO的体积分数______．（设氧气在空气中的体积分数为20%，写出计算过程，计算结果请用百分数表示并保留1位小数）
（4）一氧化氮继续氧化为二氧化氮，二氧化氮溶于水可得硝酸．为测定某18K金样品的组成，将2.832g样品粉碎后投入足量的浓硝酸中，充分溶解后，收集到NO2和N2O4的混合气体224mL（折算至标准状况，下同），将该混合气体与84mL O2混合后缓缓通入水中，恰好被完全吸收．（ 已知金不溶于浓硝酸）
填写该18K金的成分表（写出计算过程，计算结果请用百分数表示并保留1位小数，若不含该金属则填0）．
正确答案
解：（1）根据反应方程式N2+3H2⇌2NH3△V，
1 2
V变 100-90
所以V变=
所以转化率为=
故答案为：20%；
（2）n=
（3）由反应4NH3+5O2⇌4NO+6H2O（g），设氧气的体积为1.7，所以空气体积为：8.5，氨气体积为1，氨的转化率可达95%，所以反应的氨气体积为0.95，由反应方程式可知生成一氧化氮的体积为0.95，增加的体积为：
（4）合金中其它金属的质量=2.832g×（1-75%）=0.708g，
假设与硝酸反应的金属全部是银，则银的质量=
假设与硝酸反应的金属全部是铜，则铜的质量=
则合金中还有Cu和Ag，
设银的质量为m，则铜的质量=0.708-m，根据转移电子守恒得
m=0.324g，银的质量分数=
则铜的质量分数=25%-11.44%=13.56%，
故答案为：Ag：11.44%；Cu：13.56%．
解析
解：（1）根据反应方程式N2+3H2⇌2NH3△V，
1 2
V变 100-90
所以V变=
所以转化率为=
故答案为：20%；
（2）n=
（3）由反应4NH3+5O2⇌4NO+6H2O（g），设氧气的体积为1.7，所以空气体积为：8.5，氨气体积为1，氨的转化率可达95%，所以反应的氨气体积为0.95，由反应方程式可知生成一氧化氮的体积为0.95，增加的体积为：
（4）合金中其它金属的质量=2.832g×（1-75%）=0.708g，
假设与硝酸反应的金属全部是银，则银的质量=
假设与硝酸反应的金属全部是铜，则铜的质量=
则合金中还有Cu和Ag，
设银的质量为m，则铜的质量=0.708-m，根据转移电子守恒得
m=0.324g，银的质量分数=
则铜的质量分数=25%-11.44%=13.56%，
故答案为：Ag：11.44%；Cu：13.56%．
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