Question

20．硝酸是重要的化工原料，工業(yè)上用氨催化氧化法生產(chǎn)硝酸，反應(yīng)如下：
①氧化爐：4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O
②吸收塔：4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃
設(shè)空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為0.20，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為0.80．
完成下列計(jì)算：
（1）1mol NH₃完全轉(zhuǎn)化為NO至少需要空氣6.25mol．工業(yè)上先將氨氣和空氣混合好，在氧化爐反應(yīng)后直接通入吸收塔中用冷水吸收，為了確保吸收效果，第②步反應(yīng)要求氧氣至少過(guò)量20%，計(jì)算起始時(shí)空氣與氨氣的體積比至少為10.75
（2）硝酸工業(yè)產(chǎn)生的氮氧化物尾氣（NO和NO₂），可用燒堿吸收，反應(yīng)如下：
①NO+NO₂+2NaOH→2NaNO₂+H₂O
②2NO₂+2NaOH→NaNO₃+NaNO₂+H₂O
現(xiàn)有含0.5mol氮氧化物的尾氣，用8mol/L的NaOH溶液完全吸收，吸收后的溶液中c（OH^-）：c（NO₂^-）：c（NO₃^-）=5：4：1．所用NaOH溶液的體積為125mL．若將尾氣中NO與NO₂的平均組成記為NO_x，則x=1.7．
（3）工業(yè)上用硝酸與氨氣反應(yīng)制取硝酸銨：HNO₃+NH₃→NH₄NO₃，反應(yīng)時(shí)NH₃的吸收率為97%，硝酸的利用率為98%．在用氨氣制取硝酸時(shí)，氨氣的利用率為90%．計(jì)算生產(chǎn)80噸的硝酸銨共需氨氣多少?lài)�？（保�?位小數(shù)）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)方程式計(jì)算消耗氧氣物質(zhì)的量，空氣中氧氣含量為0.2，進(jìn)而計(jì)算需要空氣物質(zhì)的量；
由N原子守恒可知1mol氨氣得到NO為1mol，由方程式可知第二步反應(yīng)中消耗氧氣為0.75mol，根據(jù)氧氣過(guò)量20%計(jì)算第一步反應(yīng)后剩余氧氣物質(zhì)的量，可得氧氣總物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算空氣總物質(zhì)的量，相同條件下體積之比等于其物質(zhì)的量之比；
（2）由反應(yīng)后溶液中離子濃度之比計(jì)算反應(yīng)后溶液中NaOH、NaNO₂、NaNO₃的物質(zhì)的量，根據(jù)鈉離子守恒可知n_總（NaOH）=n_余（NaOH）+n（NaNO₃）+n（NaNO₂），進(jìn)而計(jì)算氫氧化鈉溶液體積；
再根據(jù)方程式計(jì)算NO和NO₂的物質(zhì)的量，結(jié)合N、O原子數(shù)目之比確定x的值；
（3）整個(gè)過(guò)程中氨氣有2部分作用，一是制備硝酸，由N元素守恒可得關(guān)系式NH₃～HNO₃，二是與硝酸反應(yīng)得到NH₄NO₃，由方程式可知實(shí)際利用的氨氣與硝酸物質(zhì)的量相等，二者質(zhì)量之比為17：63，結(jié)合硝酸銨的質(zhì)量計(jì)算生成硝酸銨反應(yīng)中實(shí)際參加反應(yīng)的氨氣、硝酸質(zhì)量，每一步利用率都轉(zhuǎn)化為起始原料利用率，根據(jù)氨氣吸收率計(jì)算與硝酸反應(yīng)得到NH₄NO₃時(shí)投入氨氣的質(zhì)量，根據(jù)關(guān)系式NH₃～HNO₃計(jì)算合成硝酸過(guò)程中氨氣的質(zhì)量，二者之和為需要氨氣總質(zhì)量．

解答 解：（1）由4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O，可知1mol NH₃完全轉(zhuǎn)化為NO需要氧氣物質(zhì)的量為1mol×$\frac{5}{4}$=1.25mol，空氣中氧氣含量為0.2，需要空氣最少物質(zhì)的量為1.25mol÷0.2=6.25mol；
由N原子守恒可知1mol氨氣得到NO為1mol，由4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃可知，第二步反應(yīng)中消耗氧氣為1mol×$\frac{3}{4}$=0.75mol，則第一步反應(yīng)后剩余氧氣物質(zhì)的量0.75mol×（1+20%）=0.9mol，故需要氧氣總體積為（1.25mol+0.9mol）=2.15mol，故需要空氣物質(zhì)的量為2.15mol÷0.2=10.75mol，則起始時(shí)空氣與氨氣的體積比至少為10.75mol：1mol=10.75，
故答案為：6.25；10.75；
（2）反應(yīng)后溶液中c（OH^-）：c（NO₂^-）：c（NO₃^-）=5：4：1，由N原子守恒可知，n（NaNO₂）=0.5mol×$\frac{4}{5}$=0.4mol、n（NaNO₃）=0.5mol×$\frac{1}{5}$=0.1mol，則n_余（NaOH）=5n（NaNO₃）=0.5mol，根據(jù)鈉離子守恒可知n_總（NaOH）=n_余（NaOH）+n（NaNO₃）+n（NaNO₂）=0.5mol+0.1mol+0.4mol=1mol，故NaOH溶液體積為$\frac{1mol}{8mol/L}$=0.125L，即為125mL；
  2NO₂+2NaOH=NaNO₂+NaNO₃+H₂O
0.2mol     0.1mol  0.1mol
     NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O
0.15mol        0.4mol-0.1mol=0.3mol
故NO為0.15mol，NO₂為0.5mol-0.15mol=0.35mol，
則混合物中N、O原子數(shù)目之比為0.5mol：（0.15mol+0.35mol×2）=1：1.7，則x=1.7
故答案為：125；1.7；
（3）整個(gè)過(guò)程中氨氣有2部分作用，一是制備硝酸，由N元素守恒可得關(guān)系式NH₃～HNO₃，二是與硝酸反應(yīng)得到NH₄NO₃，由方程式可知實(shí)際利用的氨氣與硝酸物質(zhì)的量相等，二者質(zhì)量之比為17：63，
生產(chǎn)80噸的硝酸銨時(shí)，參加反應(yīng)氨氣為80噸×$\frac{17}{80}$=17噸，需要硝酸為80噸-17噸=63噸，
合成NH₄NO₃時(shí)NH₃的吸收率為97%，故投入的氨氣17噸÷97%=17.53噸，
設(shè)合成硝酸需要氨氣為m，則：
     NH₃～～～HNO₃
     17      63
m×90%×98%   63噸
所以17：63=m×90%×98%：63噸，解得m=19.27
故需要氨氣總質(zhì)量為17.53噸+19.27噸=36.8噸，
答：需要氨氣36.8噸．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)計(jì)算，題目計(jì)算量大、過(guò)程復(fù)雜，屬于易錯(cuò)題目，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，難度中等．