Question

（2009?宿遷模擬）工業合成氨與制備硝酸一般可連續生產，流程如圖1：

在800℃、鉑催化劑存在條件下，氨與氧氣反應的主要產物是NO 和H₂O．在實際生產中氨的氧化率與混合氣中氧氨比（氧氣與氨氣物質的量比，以γ{n（O₂）/n（NH₃）}表示）的關系如圖2所示．
請回答下列各題：
（1）若氨氧化率達到100%，理論上γ{n（O₂）/n （NH₃）}為1.25，而實際生產要將γ值維持在1.7～2.2之間，其原因是

一方面提高氧氣量，增大氨的氧化率；另方面γ值在該范圍，氨的氧化率已高達95～99%，再提高，氨的氧化率上升空間已有限，反而會增加能耗，提高生產成本

．
（2）若使氨的氧化率達到95%，應控制氨在氨、空氣混合氣體中的體積分數約為

10.5%

（設氧氣占空氣的體積分數為20%）．將γ=1.75的氨、空氣混合氣體通入800℃、盛有鉑催化劑的氧化爐，充分反應后導入到吸收塔的氣體的主要成分是

N₂、NO₂、H₂O

．
（3）現以a mol NH₃和足量空氣為原料（不考慮N₂的反應）最大程度制取NH₄NO₃，經過一系列轉化反應后，向反應后的混合物中加入b g水，得到密度為ρ g?mL^-1的溶液，計算該溶液中NH₄NO₃物質的量濃度可能的最大值

500aρ

49a+b

mol?L^-1

．

Answer 1

分析：（1）從如何降低成本還能提高氨氣的轉化率角度考慮；
（2）根據n（O₂）/n （NH₃）=1.7及空氣中氧氣約占空氣體積的20%計算；γ=1.75的氨、空氣混合氣體，氧氣足量，反應生成氣體主要是二氧化氮和水，空氣中的氮氣不反應；
（3）依據題意，最大程度的生成硝酸銨，求出氨氣催化氧化的物質的量，計算出生成硝酸銨的物質的量濃度．

解答：解：（1）由于一方面提高氧氣量，增大氨的氧化率；另方面γ值在該范圍，氨的氧化率已高達95～99%，再提高，氨的氧化率上升空間已有限，反而會增加能耗，提高生產成本，所以而實際生產要將γ值維持在1.7～2.2之間，
故答案為：一方面提高氧氣量，增大氨的氧化率；另方面γ值在該范圍，氨的氧化率已高達95～99%，再提高，氨的氧化率上升空間已有限，反而會增加能耗，提高生產成本；
（2）氨的氧化率達到95%，γ{n（O₂）/n （NH₃）}=1.7，設氨氣的物質的量是xmol，n（O₂）=1.7xmol，空氣的物質的量是：1.7xmol×5=8.5xmol，
氨氣的體積分數是：

xmol

xmol+8.5xmol

×100%=10.5%，
由于空氣足量，一氧化氮完全轉化成了二氧化氮，吸收塔中氣體主要成分是N₂、NO₂、H₂O，
故答案為：10.5%；    N₂、NO₂、H₂O；
（3）設a mol NH₃中有x mol用于生產硝酸，其余（a-x） mol NH₃跟生成的硝酸恰好完全反應生成NH₄NO₃．
由4NH₃+5O₂═4NO+6H₂O，4NO+3O₂+2H₂O═4HNO₃得
NH₃+2O₂ ═HNO₃+H₂O                        NH₃ +HNO₃═NH₄NO₃
x mol    x mol  x mol               （a-x）mol     x mol    
依題意，最大程度制取NH₄NO₃，則應該滿足（a-x）=x，
解得 x=0.5a，
所以，硝酸的物質的量濃度是：c（NH₄NO₃）═

0.5a

(0.5a×80+0.5a×18+b)÷1000ρ

=

500aρ

49a+b

mol?L^-1
故答案為：

500aρ

49a+b

mol?L^-1 ．

點評：本題考查了工業合成氨的條件選擇、生成硝酸物質的量濃度的計算等知識，題目綜合性較強，難度中等．