高中化学鲁科版化学与技术主题一空气资源氨的合成单元测试 专题3氨氧化法制硝酸

课题3氨氧化法制硝酸1．理解氨氧化法制硝酸的反应原理，并能利用反应原理说明如何制得一氧化氮和选择吸收二氧化氮的条件。(重点)2．了解氨氧化法制硝酸过程中的尾气对环境的危害及其处理方法，树立环保意识。(难点)3．进一步认识催化剂在化工生产中的重要作用，体会实验室研究与工业生产的关系。氨氧化法制硝酸1.制备流程：NH3eq\o(→,\s\up8(O2))NOeq\o(→,\s\up8(O2))NO2eq\o(→,\s\up8(H2O))HNO3。2．反应原理：4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))4NO＋6H2O、2NO＋O2=2NO2、3NO2＋H2O=2HNO3＋NO。1．氨氧化法制硝酸过程中，发生氧化反应的含氮物质有哪些？【提示】NH3、NO、NO2中氮元素化合价升高，均发生氧化反应。氨氧化法制硝酸的模拟实验A．氨水(浓氨水∶水＝∶1) B．催化剂(Cr2O3)C．干燥剂(无水氯化钙) D．氧化瓶E．吸收瓶(水、石蕊溶液) F．NaOH溶液氨氧化法制硝酸的实验装置示意图1．操作：先加热硬质试管中的催化剂，再把空气缓缓地、均匀地鼓入氨水中，待催化剂开始红热时，撤走酒精灯。2．思考(1)氧化瓶D中的现象：瓶内变成红棕色。(2)写出E中发生的化学反应方程式：3NO2＋H2O=2HNO3＋NO。(3)F的作用是吸收未反应的NO、NO2气体。2．试通过模拟实验分析氨氧化反应的热效应。【提示】待催化剂红热时，撤走酒精灯，利用反应释放的热量维持反应的继续进行，说明氨氧化反应为放热反应。硝酸的工业制取1.如何获得一氧化氮(1)氨气与O2反应可生成多种不同的产物，如NO、N2O、N2，若不控制反应条件，只会生成氮气。(2)科学家通过研究，找到了选择NO并加快反应速率的催化剂，主要包括铂系催化剂和非铂系催化剂两类。2．选择吸收二氧化氮的条件(1)吸收NO2的反应为：3NO2＋H2O2HNO3＋NO。(2)吸收NO2反应的特点：①可逆反应；②放热反应；③气体总体积缩小的反应。(3)吸收NO2的方法：欲使原料利用充分，得到的硝酸的浓度增大，可采取加压、降温的方法，现代硝酸生产改用全压法和综合法，成品酸中HNO3的质量分数可达60%～70%，提高了NO2的吸收率。3．常压法生产硝酸尾气的处理(1)碱液吸收法：2NO2＋Na2CO3=NaNO3＋NaNO2＋CO2。(2)催化还原法：如用H2、CH4等在催化剂作用下与氮的氧化物反应。3．温度和压强对气体的溶解性产生哪些影响？【提示】温度越高，气体的溶解性越差，反之越强；压强越大，气体的溶解性越强，反之越差。硝酸的工业制法【问题导思】①工业制硝酸的原料是什么？【提示】氨气和空气。②如何获得一氧化氮？【提示】4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up8(Pt),\s\do8(高温))4NO＋6H2O。③吸收NO2的方法是什么？【提示】全压法和综合法。1．工业制硝酸的原料：NH3和空气。2．反应流程：NH3eq\o(→,\s\up8(O2))NOeq\o(→,\s\up8(O2))NO2eq\o(→,\s\up8(H2O))HNO3。3．反应设备：氧化炉、吸收塔、蒸馏塔。4．工艺流程5．相关反应4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))4NO＋6H2O2NO＋O2=2NO23NO2＋H2O=2HNO3＋NO1．Mg(NO3)2具有脱水作用，可用于提高HNO3的质量分数。2．在工业制HNO3过程中，注意勒·夏特列原理的应用。把烧红了的铂丝插入盛有浓氨水的锥形瓶中，可观察到下列现象：①液面上的铂丝保持红热；②瓶内有红棕色气体产生；③有时瓶口有白烟出现。请用必要的文字和有关化学反应方程式解释上述现象。【解析】氨与氧气在有催化剂存在时可以发生氧化还原反应，反应方程式为4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))4NO＋6H2O，反应是放热的，因此可观察到烧红的铂丝保持红热状态。生成的NO容易与O2继续反应生成红棕色的NO2气体：2NO＋O2=2NO2。NO2气体遇水蒸气则发生反应3NO2＋H2O=2HNO3＋NO，生成的HNO3是挥发性酸，可与氨水挥发出的NH3化合产生白烟NH4NO3，反应方程式为NH3＋HNO3=NH4NO3。【答案】氨水易挥发，瓶内充满NH3和O2的混合气体，当红热的铂丝插入时，由于发生下列反应：4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))4NO＋6H2O而放出大量的热，致使铂丝保持红热。生成的NO可继续和O2反应生成红棕色的NO2，反应方程式为2NO＋O2=2NO2，而NO2能与水蒸气反应：3NO2＋H2O=2HNO3＋NO，生成的挥发性酸HNO3遇NH3则产生白烟NH4NO3，化学反应方程式为NH3＋HNO3=NH4NO3。NH3遇HNO3产生白烟固体颗粒，易误写为白雾液体小液滴。1．工业上用氨的催化氧化法制HNO3时，先制得50%左右的硝酸，然后再制成98%的浓HNO3，一般采用的方法是()A．加CaCl2后再蒸馏浓缩B．加生石灰吸去水分后再过滤C．加硝酸镁后再蒸馏浓缩D．加入浓H2SO4后再分液【解析】以硝酸镁做脱水剂，将浓硝酸镁溶液与稀硝酸按一定比例混合进行蒸馏。由于硝酸镁具有脱水作用，因此可蒸出HNO3含量较高的硝酸蒸气。将硝酸蒸气再进行精馏，即可得到HNO3的质量分数为98%以上的硝酸蒸气，冷凝后即得浓硝酸。【答案】C尾气的净化和处理【问题导思】①硝酸工业中尾气的有害成分是什么？【提示】NO、NO2等含氮氧化物。②处理硝酸工业尾气常用什么方法？【提示】碱液吸收法和催化还原法。③处理硝酸工业尾气常用的原料是什么？【提示】纯碱溶液或甲烷、氢气等。1．碱液吸收法2NO2＋Na2CO3=NaNO2＋NaNO3＋CO2，NO＋NO2＋Na2CO3=2NaNO2＋CO2利用碳酸钠溶液吸收氮的氧化物比较经济，但处理后的尾气中氮的氧化物的含量仍难以达到排放标准，人们又采用催化还原法净化尾气。2．催化还原法H2＋NO2=NO＋H2O2H2＋2NO=N2＋2H2OCH4＋4NO2=4NO＋CO2＋2H2OCH4＋4NO=2N2＋CO2＋2H2O在催化剂存在的条件下，利用各种燃料气中的甲烷、氢气等将氮的氧化物还原为氮气和水，使尾气中氮的氧化物的含量降低，达到甚至低于排放标准。在硝酸生产过程所排放出来的废气中含有NO和NO2，它们污染环境，现用氨催化还原法将它们转化为无毒气体(填名称)____________直接排入空气中，写出有关反应的化学方程式：_____________________________________________________________________________________________________。假设NO和NO2的物质的量之比恰好为1∶1，则两者的混合物相当于一种酸酐，写出用烧碱溶液吸收这种酸酐的化学方程式：_______________________。【解析】硝酸的酸酐是N2O5，和NaOH反应生成NaNO3，亚硝酸的酸酐是N2O3，和NaOH反应生成NaNO2。【答案】氮气6NO＋4NH3eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(△))5N2＋6H2O、6NO2＋8NH3=7N2＋12H2ON2O3＋2NaOH=2NaNO2＋H2O2．工业尾气中的氮氧化物常用氨催化吸收法，原理是NH3与NOx反应生成无毒物质。某同学采用以下装置和步骤模拟工业上氮氧化物的处理过程。【导学号：28920009】(一)提供的装置(二)NH3的制取(1)下列有关实验室制备气体的说法正确的是______(填序号)。①可以用排饱和食盐水的方法收集氯气②用赤热的炭与水蒸气反应制取氢气③实验室制氧气有时需要加热，有时不需要加热④用无水氯化钙干燥氨气⑤用浓盐酸洗涤高锰酸钾分解制氧气的试管(2)从所提供的装置中选取一个能制取氨气的装置：____________(填字母)。(3)当采用你所选用的装置制取氨气时，相应反应的化学方程式是______________________________________________________________。(三)模拟尾气的处理选用上述部分装置，按下列顺序连接成模拟尾气处理装置，回答有关问题：(4)A中反应的离子方程式为_______________________________________。(5)D装置中的液体可换成________(填字母)。a．CuSO4b．H2Oc．CCl4d．浓硫酸(6)该同学所设计的模拟尾气处理实验还存在的明显缺陷是_____________。【解析】(2)实验室制备氨气可用氢氧化钙与氯化铵固体加热法，也可以用浓氨水与固体氢氧化钠(或氧化钙)在常温下制取。可选装置C或G。(3)根据所选装置写出相应制备反应的化学方程式。(4)A中为Cu与稀硝酸的反应：3Cu＋2NOeq\o\al(－,3)＋8H＋=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O。(5)D中用浓氨水防止氨气被吸收，因此还可以换成CCl4。(6)该反应中尾气含有NO等污染性气体，应除去后再排空。【答案】(1)①③⑤(2)C(或G)(3)2NH4Cl＋Ca(OH)2eq\o(=,\s\up8(△))2NH3↑＋CaCl2＋2H2O[或CaO＋NH3·H2O=NH3↑＋Ca(OH)2](4)3Cu＋2NOeq\o\al(－,3)＋8H＋=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O(5)c(6)NO尾气直接排放，没有进行处理1．工业制HNO3的3个反应：4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))4NO＋6H2O2NO＋O2=2NO23NO2＋H2O=2HNO3＋NO2．处理硝酸工业尾气的2种方法：(1)碱液吸收法；(2)催化还原法。1．下列过程：①豆科植物根瘤菌将N2转化为氮肥；②雷雨时雨水中存在一定量硝酸；③工业上将N2合成氨；④用氨氧化法制硝酸，其中属于固氮的是()A．①②③ B．②③④C．①③④ D．①②③④【解析】将游离态的氮转变成含氮化合物的过程叫固氮。【答案】A2．硝酸工业中，不涉及的反应是()A．4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))4NO＋6H2OB．3NO2＋H2O=2HNO3＋NOC．NH3＋HNO3=NH4NO3D．2NO2＋Na2CO3=NaNO2＋NaNO3＋CO2【解析】工业制硝酸过程中，涉及A、B两项反应；尾气处理过程中涉及D项反应。【答案】C3．下列有关氨氧化法制硝酸的说法不正确的是()【导学号：28920230】A．氨氧化法制硝酸关键的一步是寻找催化剂使NH3转化为NO的产率增大B．由3NO2＋H2O2HNO3＋NO可知整个生产过程中，从理论上说消耗1molNH3仅生成eq\f(2,3)molHNO3C．全压法吸收NO2比常压吸收NO2得到的HNO3溶液的浓度大D．工业上用Mg(NO3)2做脱水剂由60%～70%的HNO3溶液获得95%～100%的浓HNO3【解析】由于NH3与O2反应生成NO、N2、N2O的速率均很大，工业上就采用催化剂，利用它的选择性，增大NH3生成NO的速率，来提高NO的产率。分析整个过程，从理论上说，由于充入了过量的O2，使得反应循环进行，1molNH3能生成1molHNO3。常压吸收NO2得HNO3的质量分数低于50%的稀HNO3，全压吸收NO2后，HNO3的质量分数可达60%～70%。【答案】B4．在氨氧化法制硝酸中，二氧化氮的吸收反应如下：3NO2＋H2O2HNO3＋NO(正反应为放热反应)为了提高硝酸的产率，应该采取的措施是()A．降低温度 B．升高温度C．减小压强 D．加入催化剂【解析】该平衡为正反应气体体积缩小的放热反应，故增大压强、降低温度可使平衡向右移动，提高硝酸的产率。【答案】A5．汽车尾气主要含有CO2、CO、SO2、NO及汽油、柴油等物质，这种尾气逐渐成为城市空气污染的主要来源，必须予以治理。治理的方法之一是在汽车的排气管上装一个“催化转化器”(用铂、钯合金做催化剂)。它的特点是使CO与NO反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使汽油、柴油等物质充分燃烧及SO2的转化。(1)写出CO与NO反应的化学方程式：_____________________________________________________________________________________________。(2)下列控制或者减少城市汽车尾气污染的方法合理的是________。A．开发氢能源 B．使用电动车C．限制车辆行驶 D．戴上呼吸面具【解析】(1)题干中的信息，生成“参与大气生态环境循环的无毒气体”，即CO2和N2：2CO＋2NOeq\o(=,\s\up8(催化剂))N2＋2CO2。(2)控制或减少汽车尾气污染，不是污染后再治理。【答案】(1)2CO＋2NOeq\o(=,\s\up8(催化剂))N2＋2CO2(2)AB学业分层测评(三)(建议用时：45分钟)[学业达标]1．下列气体能造成空气中光化学烟雾污染的是()A．CO2 B．COC．NO2 D．Cl2【答案】C2．关于NO的下列叙述不正确的是()A．NO可以是某些含低价N元素物质被氧化的产物B．NO不是亚硝酸酐C．NO可以是某些含高价N元素物质被还原的产物D．NO是红棕色气体【解析】NO中N为＋2价，故NO既有氧化性，又有还原性，可以为低价含N物质失去电子被氧化的产物，也可为高价含N物质得到电子被还原的产物。N2O3为亚硝酸酐。D项不正确，NO为无色。【答案】D3．化工生产中的废气和汽车尾气的排放是造成大气污染的主要原因。下列气体经过处理后可用做燃料的是()A．硫酸工业尾气 B．硝酸工业尾气C．汽车尾气 D．高炉煤气【解析】各选项与主要污染物的对应关系是：A——二氧化硫、三氧化硫；B——一氧化氮、二氧化氮；C——一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮和烃；D——一氧化碳、二氧化碳。由于汽车尾气很分散，而目前甚至于今后一段时间内，将汽车尾气转化为燃料还不现实，故选D。【答案】D4．在体积为VL的密闭容器中通入amolNO和bmolO2。反应后容器内氮原子数和氧原子数之比为()\f(a,b) \f(a,2b)\f(a,a＋2b) \f(a,2a＋b)【解析】根据原子守恒得答案为：eq\f(a,a＋2b)。【答案】C5．3NO2＋H2O=2HNO3＋NO为工业上氨催化氧化法制硝酸的反应之一，该反应中NO2的作用是()A．只作氧化剂B．只作还原剂C．既作氧化剂又作还原剂D．既不作氧化剂又不作还原剂【解析】该反应二氧化氮中N元素的化合价由＋4价变为＋5价和＋2价，二氧化氮既失电子又得电子，所以二氧化氮既是氧化剂又是还原剂，故选C。【答案】C6．下列反应既属于离子反应，又属于氧化还原反应的是()【导学号：28920231】A．4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))4NO＋6H2OB．2NO＋O2=2NO2C．3NO2＋H2O=2HNO3＋NOD．N2O3＋2NaOH=2NaNO2＋H2O【解析】A、B两项反应不属于离子反应；D项反应不属于氧化还原反应。【答案】C7．工业制硝酸的其中一步反应为氨的氧化，反应方程式为4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)ΔH<0，有关该反应的说法正确的是()A．反应达到平衡后，3v正(NH3)＝2v逆(H2O)B．反应处于平衡状态时，c(NH3)·c(O2)＝c(NO)·c(H2O)C．其它条件不变，温度越高，氨的转化率越高D．增大压强是加快反应速率并提高NO产率的有效措施【解析】A．反应达到平衡后，3v正(NH3)＝2v逆(H2O)，各组分浓度不变，故A正确；B.反应处于平衡状态时，体系中各组分的浓度不变，与c(NH3)·c(O2)和c(NO)·c(H2O)是否相等无关，故B错误；C.该反应正反应方向是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，温度越高，氨的转化率越低，故C错误；D.由于增大压强，平衡向逆反应方向移动，一氧化氮生产量减小，所以寻找合适的催化剂及提高氧气的浓度是加快反应速率并提高NO产率的有效措施，故D错误。故选A。【答案】A8．已知氮的氧化物跟NaOH溶液发生的化学反应如下：2NO2＋2NaOH=NaNO3＋NaNO2＋H2O，NO2＋NO＋2NaOH=2NaNO2＋H2O，现有mmolNO2和nmolNO组成的混合气体，需用NaOH溶液使其完全吸收至无气体剩余。已知NaOH物质的量浓度为amol·L－1，则需该NaOH溶液的体积是()\f(m,a)L \f(2,3a)L\f(2m＋n,3a)L \f(m＋n,a)L【解析】根据气体全部被吸收，生成的盐是NaNO3和NaNO2，可知钠原子的物质的量等于氮原子的物质的量，即n(NaOH)＝n(NO2)＋n(NO)＝(m＋n)mol，所以NaOH溶液的体积为eq\f(m＋n,a)L。【答案】D9．将20mL二氧化氮和氨气的混合气体，在一定条件下充分反应，化学方程式是6NO2＋8NH37N2＋12H2O。已知参加反应的二氧化氮比氨气少2mL(气体体积均在相同状况下测定)，则原混合气体中二氧化氮和氨气的物质的量之比是：①3∶2②2∶3③3∶7④3∶4，正确的组合为()A．①③ B．②③C．②④ D．①④【解析】注意到给予的反应为可逆反应。NO2、NH3均不可能完全消耗。NO2比NH3少消耗了2mL，具体关系应该为NO2消耗6mL，NH3消耗8mL，两种物质共消耗了14mL，剩余6mL，具体剩余的NO2、NH3各有多少，依据起始的投入来决定。起始投入不确定时，具体剩余的NO2、NH3体积也不确定。反过来，不知道剩余的NO2、NH3体积也就无法确定起始给予的NO2、NH3各多少体积。但是，用极端假设法可以确定起始给予的NO2、NH3的体积范围。假若剩余的气体全部为NO2，则原NO2有(6＋6)mL＝12mL，NH3有8mL，原混合气体中二氧化氮和氨气的物质的量之比是3∶2。假若剩余的气体全部为NH3，则原NH3有(8＋6)mL＝14mL，NO2有6mL，原混合气体中二氧化氮和氨气的物质的量之比是3∶7，故原混合气体中eq\f(3,7)<eq\f(nNO2,nNH3)<eq\f(3,2)。【答案】C10．将mg氨通过氨氧化法完全制成硝酸，且将硝酸全部溶解在反应中生成的水里制成浓硝酸，其质量分数为()A．% B．50%C．% D．98%【解析】根据4NH3＋5O2=4NO＋6H2O,4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3得关系式：NH3＋2O2=HNO3＋H2O，故溶液相当于1mol水中溶解1molHNO3，故质量分数为eq\f(63g,63g＋18g)×100%＝%。【答案】A[能力提升]11．硝酸工业尾气的净化方法有多种。(1)碱液吸收是一种常用的方法。工业上常用纯碱溶液来吸收尾气中的氮的氧化物，反应的化学方程式为________________________________。如果希望吸收产物全部为硝酸钠，可用浓硝酸处理所得的吸收液，试写出反应的化学方程式：____________________________________________________________________。(2)催化还原法是用还原剂在有催化剂存在的条件下来还原氮的氧化物。如果以NH3为还原剂，可分别将尾气中的NO和NO2还原成N2和H2O，写出这两个反应的化学方程式：__________________________________________________________________________________________________________________。【答案】(1)2NO2＋Na2CO3=NaNO2＋NaNO3＋CO2NaNO2＋2HNO3=NaNO3＋2NO2↑＋H2O(2)4NH3＋6NOeq\o(=,\s\up8(催化剂))5N2＋6H2O,8NH3＋6NO2eq\o(=,\s\up8(催化剂))7N2＋12H2O12．某化学小组的同学设计了如图的实验装置。将氨气与过量的氧气通入硬质玻璃管中，管中装有Cr2O3催化剂，用酒精灯加热。(1)氨气催化氧化的化学方程式是____________________________________________；试管内气体变为红棕色，该反应的化学方程式是____________________________________________________________________。(2)停止反应后，立即关闭试管的两个活塞，一段时间后，将试管浸入冰水中，试管内气体颜色__________，原因是__________________________________。【答案】(1)4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))4NO＋6H2O2NO＋O2=2NO2(2)变浅存在2NO2N2O4的平衡，降温平衡右移13．工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如下：(1)某温度下体积为200L的氨合成塔中，测得如下数据：时间(h)浓度(mol·L－1)01234N2c1c1H2c2c2NH30c3c3根据表中数据计算0～2小时内N2的平均反应速率为________mol·L－1·h－1。若起始时与平衡时的压强之比为a，则N2的转化率为________(用含a的代数式表示)。(2)氨气和氧气从145℃已知：4NH3＋5O24NO＋6H2OK1＝1×1053(900℃4NH3＋3O22N2＋6H2OK2＝1×1067(900℃温度较低时以生成________为主，温度高于900℃时，NO产率下降的原因_________________________________________________________________________________________________________________________________。吸收塔中需要补充空气的原因______________________________________。(3)尾气处理时小型化工厂常用尿素作为氮氧化物的吸收剂，此法运行费用低，吸收效果好，不产生二次污染，吸收后尾气中NO和NO2的去除率高达%。其主要的反应为氮氧化物混合气与水反应生成亚硝酸，亚硝酸再与尿素[CO(NH2)2]反应生成CO2和N2，请写出有关反应化学方程式：_________________________________________________________________________________________________________________________________________。【解析】(1)由反应速率的计算表达式，可求出v(N2)＝mol·L－1－mol·L－1)/2h＝mol·L－1·h－1。设N2转化xmol。N2＋3H22NH3起始/mol3009000转化/molx3x2x平衡/mol300－x900－3x2x由同温、同体积时，压强之比等于物质的量之比得：eq\f(300＋900,200＋900－2x)＝a，解得x＝600(1－eq\f(1,a))，φ(N2)＝eq\f(x,300)×100%＝2(1－eq\f(1,a))×100%。(2)从图中不难读出低温生成N2，高温生成NO，但当高于900℃时，反应逆向移动，故NO的产率减小。再通入空气，相当于增加反应物，平衡正向移动，NH3(3)根据题中信息，可写出反应物和产物，关键运用化合价和原子守恒来配平。【答案】(1)2(1－1/a)×100%(2)N2生成NO的反应为放热反应，升高温度转化率下降进一步与NO反应生成硝酸(3)NO＋NO2＋H2O=2HNO2、CO(NH2)2＋2HNO2=CO2↑＋2N2↑＋3H2O14．如图是模拟工业制硝酸原理的实验装置。先用酒精灯对硬质玻璃管里的三氧化二铬加热，然后把空气鼓入盛有浓氨水的锥形瓶，当三氧化二铬保持红热状态时，移去酒精灯。根据题意回答问题：【导学号：28920232】(1)硬质玻璃管里发生反应的化学方程式为____________________________________________________________________________________________，当三氧化二铬红热时，移去酒精灯，原因是：_____________