2019-2020学年高中化学主题1空气资源氨的合成课题3氨氧化法制硝酸学案鲁科版选修2.doc

2019-2020学年高中化学主题1空气资源氨的合成课题3氨氧化法制

硝酸学案鲁科版选修2

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。

1.制备流程：NH 3――→2NO ――→2NO 2――→2HNO 3。 2．反应原理：

4NH 3＋5O 2=====催化剂

高温

4NO ＋6H 2O 、2NO ＋O 2===2NO 2、3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋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】 NH 3、NO 、NO 2中氮元素化合价升高，均发生氧化反应。

A ．氨水(浓氨水∶水＝1.5∶1)

B ．催化剂(Cr 2O 3)

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：3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO 。 (3)F 的作用是吸收未反应的NO 、NO 2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。

1.(1)氨气与O 2反应可生成多种不同的产物，如NO 、N 2O 、N 2，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NO 2的反应为：3NO 2＋H 2

3

＋NO 。

(2)吸收NO 2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NO 2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HNO 3的质量分数可达60%～70%，提高了NO 2的吸收率。

3．常压法生产硝酸尾气的处理

(1)碱液吸收法：2NO 2＋Na 2CO 3===NaNO 3＋NaNO 2＋CO 2。

(2)催化还原法：如用H 2、CH 4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。

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】 4NH 3＋5O 2=====Pt

高温4NO ＋6H 2O 。

③吸收NO 2的方法是什么？ 【提示】 全压法和综合法。

1．工业制硝酸的原料：NH 3和空气。

2．反应流程：NH 3――→O 2NO ――→O 2NO 2――→H 2O

HNO 3。 3．反应设备：氧化炉、吸收塔、蒸馏塔。 4．工艺流程

5．相关反应

4NH 3＋5O 2=====催化剂

高温4NO ＋6H 2O

2NO ＋O 2===2NO 2 3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO

1．Mg(NO 3)2具有脱水作用，可用于提高HNO 3的质量分数。 2．在工业制HNO 3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4NH 3＋5O 2=====催化剂

高温4NO ＋6H 2O ，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O 2继续反应生成红棕色的NO 2气体：2NO ＋O 2===2NO 2。NO 2气体遇水蒸气则发生反应3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO ，生成的HNO 3是挥发性酸，可与氨水挥发出的NH 3化合产生白烟NH 4NO 3，反应方程式为NH 3＋HNO 3===NH 4NO 3。

【答案】 氨水易挥发，瓶内充满NH 3和O 2的混合气体，当红热的铂丝插入时，由于发生下列反应：4NH 3＋5O 2=====催化剂

高温4NO ＋6H 2O 而放出大量的热，致使铂丝保持红热。生成的NO 可继

续和O 2反应生成红棕色的NO 2，反应方程式为2NO ＋O 2===2NO 2，而NO 2能与水蒸气反应：3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO ，生成的挥发性酸HNO 3遇NH 3则产生白烟NH 4NO 3，化学反应方程式为NH 3＋HNO 3===NH 4NO 3。

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

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＋H2O

2H2＋2NO===N2＋2H2O

CH4＋4NO2===4NO＋CO2＋2H2O

CH 4＋4NO===2N 2＋CO 2＋2H 2O

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NO 2，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NO 2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N 2O 5，和NaOH 反应生成NaNO 3，亚硝酸的酸酐是N 2O 3，和NaOH 反应生成NaNO 2。

【答案】 氮气 6NO ＋4NH 3=====催化剂

△5N 2＋6H 2O 、6NO 2＋8NH 3===7N 2＋12H 2O N 2O 3＋

2NaOH===2NaNO 2＋H 2O

2．工业尾气中的氮氧化物常用氨催化吸收法，原理是NH 3与NO x 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。

(一)提供的装置

(二)NH 3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 ．CuSO 4 b ．H 2O c ．CCl 4 d ．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 ＋2NO －

3＋8H ＋

===3Cu 2＋

＋2NO↑＋4H 2O 。 (5)D 中用浓氨水防止氨气被吸收，因此还可以换成CCl 4。(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)2NH 4Cl ＋Ca(OH)2=====△

2NH 3↑＋CaCl 2＋2H 2O[或CaO ＋NH 3·H 2O===NH 3↑＋Ca(OH)2] (4)3Cu ＋2NO －

3＋8H ＋

===3Cu 2＋

＋2NO↑＋4H 2O (5)c (6)NO 尾气直接排放，没有进行处理

1．工业制HNO 3的3个反应： 4NH 3＋5O 2=====催化剂

高温4NO ＋6H 2O

2NO ＋O 2===2NO 2 3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO

2．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N 2转化为氮肥；②雷雨时雨水中存在一定量硝酸；③工业上将N 2合成氨；④用氨氧化法制硝酸，其中属于固氮的是( )

A ．①②③

B ．②③④

C ．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】 A

2．硝酸工业中，不涉及的反应是( ) A ．4NH 3＋5O 2=====催化剂

高温4NO ＋6H 2O

B ．3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO

C ．NH 3＋HNO 3===NH 4NO 3

D ．2NO 2＋Na 2CO 3===NaNO 2＋NaNO 3＋CO 2

【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】 C

3．下列有关氨氧化法制硝酸的说法不正确的是( ) 【导学号：28920010】 A ．氨氧化法制硝酸关键的一步是寻找催化剂使NH 3转化为NO 的产率增大 B ．由3NO 2＋H 2

3

＋NO 可知整个生产过程中，从理论上说消耗1 mol NH 3仅生成2

3

mol

HNO 3

C ．全压法吸收NO 2比常压吸收NO 2得到的HNO 3溶液的浓度大

D ．工业上用Mg(NO 3)2做脱水剂由60%～70%的HNO 3溶液获得95%～100%的浓HNO 3 【解析】 由于NH 3与O 2反应生成NO 、N 2、N 2O 的速率均很大，工业上就采用催化剂，利用它的选择性，增大NH 3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O 2，使得反应循环进行，1 mol NH 3能生成1 mol HNO 3。常压吸收NO 2得HNO 3的质量分数低于50%的稀HNO 3，全压吸收NO 2后，HNO 3的质量分数可达60%～70%。

【答案】 B

4．在氨氧化法制硝酸中，二氧化氮的吸收反应如下：3NO 2＋H 2

3

＋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】 A

5．汽车尾气主要含有CO 2、CO 、SO 2、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SO 2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CO 2和N 2：2CO ＋2NO =====催化剂

N 2＋2CO 2。

(2)控制或减少汽车尾气污染，不是污染后再治理。 【答案】 (1)2CO ＋2NO =====催化剂

N 2＋2CO 2 (2)AB