Question

13．2007年度諾貝爾化學獎授予致力于研究氨的合成與催化劑表面積大小關系的德國科學家格哈德•埃特爾，以表彰他在“固體表面化學過程”研究中作出的貢獻．他研究的氫氣與氮氣在固體催化劑表面合成氨的反應過程示意圖如下：

Ⅰ．圖⑤表示生成的NH₃離開催化劑表面．則圖②和圖③的含義分別是N₂、H₂被吸附在催化劑表面、在催化劑表面N₂、H₂中的化學鍵斷裂．
Ⅱ．工業(yè)上制取硝酸銨的模擬流程圖如下：

請回答下列問題：
（1）此生產(chǎn)過程中，N₂與H₂合成NH₃工業(yè)設備名稱是合成塔；設備中，設置熱交換器的目的是利用余熱節(jié)約能源；合成氨過程中所用的催化劑是鐵砂網(wǎng)（或鐵）．生產(chǎn)中原料氣必須進行脫硫處理的目的是防止催化劑中毒．
（2）在合成硝酸的吸收塔中發(fā)生反應的化學方程式是4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；通入空氣的目的是使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸．
（3）生產(chǎn)硝酸的過程中常會產(chǎn)生一些氮的氧化物，可用如下三種方法處理：
方法一：堿液吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O；
2NO₂+2Na₂CO₃═NaNO₂+NaNO₃+CO₂
方法二：NH₃還原法：8NH₃+6NO₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$ 7N₂+12H₂O（NO也有類似的反應）
方法三：甲烷吸收法：CH₄（g）+2NO₂（g）═CO₂（g）+N₂（g）+2H₂O（g）△H=+867kJ•mol^-1
（NO也有類似的反應）
上述方法中方法一最大的缺點是單獨的NO不能被吸收；方法三和方法二相比，優(yōu)點是甲烷比氨價格便宜，缺點是耗能高．
（4）某化肥廠用NH₃制備NH₄NO₃．已知：由NH₃制NO的產(chǎn)率是94%、NO制HNO₃的產(chǎn)率是89%，則制HNO₃所用去的NH₃的質(zhì)量占總耗NH₃質(zhì)量（不考慮其它損耗）的54.4%．（保留三位有效數(shù)字）

Answer 1

分析 Ⅰ．圖②中兩種雙原子分子被吸附在催化劑表面；③中分子中的化學鍵斷裂生成原子；
Ⅱ．（1）合成氨的工業(yè)設備是合成塔；合成氨的反應屬于放熱反應，通過熱交換器可節(jié)約能源；N₂與H₂合成NH₃所用的催化劑是鐵砂網(wǎng)；生產(chǎn)中應防止催化劑中毒；
（2）在吸收塔中二氧化氮與水反應生成硝酸和NO，通入空氣后NO能被空氣中的氧氣氧化為二氧化氮，二氧化氮再與水反應生成硝酸；
（3）方法一最大的缺點是單獨的NO不能被吸收，只能與NO₂一起被堿液吸收；方法三和方法二相比，優(yōu)點是甲烷比氨價格便宜；缺點是方法三的耗能較高；
（4）根據(jù)氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，以此計算．

解答 解：Ⅰ．圖②中兩種雙原子分子被吸附在催化劑表面，即N₂、H₂被吸附在催化劑表面；③中分子中的化學鍵斷裂生成原子，即在催化劑表面N₂、H₂中的化學鍵斷裂生成N原子和H原子，
故答案為：N₂、H₂被吸附在催化劑表面；在催化劑表面N₂、H₂中的化學鍵斷裂；
Ⅱ．（1）合成氨的工業(yè)設備是合成塔；合成氨的反應屬于放熱反應，反應過程中會放出大量的熱，用熱交換器可以充分利用余熱，節(jié)約能源；N₂與H₂合成NH₃所用的催化劑是鐵砂網(wǎng)；生產(chǎn)中原料氣必須進行脫硫的目的是防止催化劑中毒，
故答案為：合成塔；利用余熱，節(jié)約能源；鐵砂網(wǎng)；防止催化劑中毒；
（2）在吸收塔中二氧化氮與水反應生成硝酸和NO，通入空氣，NO能被空氣中的氧氣氧化為二氧化氮，二氧化氮再與水反應生成硝酸，這樣使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸，反應的化學方程式為：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，
故答案為：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃；使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸；
（3）方法一最大的缺點是單獨的NO不能被吸收，只能與NO₂一起被堿液吸收；方法三和方法二相比，優(yōu)點是甲烷比氨價格便宜，節(jié)約成本；缺點是方法三的反應熱為+867kJ•mol^-1，耗能較高，
故答案為：單獨的NO不能被吸收；甲烷比氨價格便宜；耗能高；
（4）由NH₃制NO的產(chǎn)率是94%、NO制HNO₃的產(chǎn)率是89%，根據(jù)氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，則1mol氨氣可得到硝酸1mol×94%×89%=0.8366mol，由HNO₃+NH₃═NH₄NO₃，則該反應消耗的氨氣的物質(zhì)的量為0.8366mol，氨氣的質(zhì)量之比等于物質(zhì)的量之比，
則制HNO₃所用去的NH₃的質(zhì)量占總耗NH₃質(zhì)量的百分數(shù)為：$\frac{1mol}{1mol+0.8366mol}$×100%=54.4%，即制HNO₃所用去的NH₃的質(zhì)量占總耗NH₃質(zhì)量的54.4%，
故答案為：54.4．

點評 本題考查了制備方案的設計，題目難度中等，涉及工業(yè)制備原理應用、流程分析、實驗制備物質(zhì)的分析判斷、利用物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及質(zhì)量守恒的方法來進行簡單計算等知識，明確轉(zhuǎn)化中的化學反應得出物質(zhì)之間的關系是解答的關鍵，試題培養(yǎng)了學生的化學實驗、化學計算能力．