Question

工業(yè)合成氨與制備硝酸一般可連續(xù)生產(chǎn)，流程如下：

（1）某溫度下體積為200L的氨合成塔中，測(cè)得如下數(shù)據(jù)：

時(shí)間（h）濃度（mol/L）		1	2	3	4
N2	1.500	1.400	1.200	C1	C1
H2	4.500	4.200	3.600	C2	C2
NH3		0.200	0.600	C3	C3

根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算0～2小時(shí)內(nèi)N₂的平均反應(yīng)速率    mol?L^-1?h^-1
若起始時(shí)與平衡時(shí)的壓強(qiáng)之比為a，則N₂的轉(zhuǎn)化率為    （用含a的代數(shù)式表示）
（2）希臘阿里斯多德大學(xué)的 George Marnellos 和 Michael Stoukides，發(fā)明了一種合成氨的新方法（Science，2，Oct.1998，p98），在常壓下，把氫氣和用氦氣稀釋的氮?dú)夥謩e通入一個(gè)加熱到570℃的電解池，利用能通過氫離子的多孔陶瓷固體作電解質(zhì)，氫氣和氮?dú)庠陔姌O上合成了氨，轉(zhuǎn)化率達(dá)到78%，試寫出電解池陰極的電極反應(yīng)式   
（3）氨氣和氧氣從145℃就開始反應(yīng)，在不同溫度和催化劑條件下生成不同產(chǎn)物（如圖）：
4NH₃+5O₂?4NO+6H₂O  K₁=1×10⁵³（900℃）
4NH₃+3O₂?2N₂+6H₂O   K₂=1×10⁶⁷（900℃）溫度較低時(shí)以生成    為主，溫度高于900℃時(shí)，NO產(chǎn)率下降的原因    ．吸收塔中需要補(bǔ)充空氣的原因    ．
（4）尾氣處理時(shí)小型化工廠常用尿素作為氮氧化物的吸收劑，此法運(yùn)行費(fèi)用低，吸收效果好，不產(chǎn)生二次污染，吸收后尾氣中NOx的去除率高達(dá)99.95%．其主要的反應(yīng)為氮氧化物混合氣與水反應(yīng)生成亞硝酸，亞硝酸再與尿素反應(yīng)生成CO₂和N₂請(qǐng)寫出有關(guān)反應(yīng)化學(xué)方程式    ，    ．

Answer 1

【答案】分析：（1）根據(jù)v=計(jì)算v（N₂）；根據(jù)壓強(qiáng)比計(jì)算出平衡時(shí)混合氣體總的物質(zhì)的量，再根據(jù)差量法計(jì)算參加反應(yīng)的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量，利用轉(zhuǎn)化率的定義計(jì)算．
（2）電解池的陰極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，總反應(yīng)式減去陽極電極反應(yīng)式，即為陰極電極反應(yīng)式．
（3）由圖可知低溫主要產(chǎn)物為氮?dú)猓簧�成NO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)；吸收塔內(nèi)生成硝酸．
（4）尾氣中的氧化物主要為NO、NO₂，由題目信息可知，二者與水反應(yīng)生成亞硝酸，亞硝酸再與尿素反應(yīng)生成CO₂和N₂，然后配平．
解答：解：（1）由表可知氮?dú)獾钠鹗紳舛葹?.5mol/L，2小時(shí)氮?dú)獾臐舛葹?.5mol/L．
所以2小時(shí)內(nèi)氮?dú)獾乃俾蕿関（N₂）==0.15mol?L^-1?h^-1．
開始氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為1.5mol/L×200L=300mol，開始?xì)錃獾奈镔|(zhì)的量為4.5mol/L×200L=900mol，氨氣為0．
對(duì)于反應(yīng)     N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g），物質(zhì)的量減少△n
              1                                         2
變化（mol）：n                                         2n     
所以平衡后混合氣體總的物質(zhì)的量為（300+900-2n）mol=（1200-2n）mol，
所以=a，解得n=
所以氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率為=2（1-）．
故答案為：0.15mol?L^-1?h^-1 ；  2（1-）．
（2）總反應(yīng)式為N₂+3H₂=2NH₃；
陽極的電極反應(yīng)為3H₂-6e^-═6H⁺；
總反應(yīng)式減去陰極電極反應(yīng)式，即為正極電極反應(yīng)式，
所以陰極電極反應(yīng)式為：N₂+6H⁺+6e^-═2NH₃．
故答案為：N₂+6H⁺+6e^-═2NH₃．
（3）由圖可知低溫主要產(chǎn)物為氮?dú)釴₂．
生成NO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，NO的轉(zhuǎn)化率下降．
合成塔反應(yīng)過程中產(chǎn)生NO，為充分利用，補(bǔ)充空氣會(huì)進(jìn)一步與NO反應(yīng)生成硝酸．
故答案為：N₂；生成NO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度轉(zhuǎn)化率下降；進(jìn)一步與NO反應(yīng)生成硝酸．
（4）由題目信息可知，NO、NO₂二者混合物與水反應(yīng)生成亞硝酸，反應(yīng)方程式為NO+NO₂+H₂O=2HNO₂；
亞硝酸再與尿素反應(yīng)生成CO₂和N₂，反應(yīng)方程式為CO （NH₂）₂+2HNO₂=CO₂+2N₂+3H₂O．
故答案為：NO+NO₂+H₂O=2HNO₂；   CO （NH₂）₂+2HNO₂=CO₂+2N₂+3H₂O．
點(diǎn)評(píng)：本題考查化學(xué)反應(yīng)速率及化學(xué)平衡計(jì)算、電解池等，綜合較大，難度中等，注意兩電極反應(yīng)式相加得總反應(yīng)式時(shí)，兩電極得失電子數(shù)應(yīng)相等．