Question

7．氨氧化法是工业生产中制取硝酸的主要途径，最后烟气中的NO_x通常用碳酸钠溶液：NO+NO₂+Na₂CO₃→2NaNO₂+CO₂；2NO₂+Na₂CO₃→NaNO₂+NaNO₃+CO₂
阅读材料，回答下列问题：
（1）氨气和氧气在催化剂存在下的反应方程式为4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O．
①5mol NH₃和5molO₂反应生成4molNO，过量的氨溶于产物水中成为氨水，所得氨水的密度为0.75g/ml，则该氨水的物质的量浓度为6mol/L．
②如果没有催化剂，氨氧化生成NO的同时也生成氮气：4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O．若4mol NH₃和4molO₂恰好完全反应，则产物气体中NO的物质的量为2 mol．
（2）已知真空管中反应2NO₂?N₂O₄，现向一真空管中充入4L标况下的NO₂ 气体：
①若在上述反应中有50% NO₂的转化为N₂O₄，所得混合气的平均摩尔质量为61.3g/mol（保留一位小数）．
②将4LNO₂通过真空管反应后，恢复到原状况，得到气体3L，其中NO₂为2L．
（3）假定产生的烟气中NO_x是NO和NO₂的混合物（不含N₂O₄），加入硝酸可改变烟气中NO和NO₂的比，反应为：NO+2HNO₃→3NO₂+H₂O，当烟气中n（NO）：n（NO₂）=2：3时，吸收率最高．1m³烟气含2107mgNO_x，其中n（NO）：n（NO₂）=9：1．
计算：①为了达到最高吸收率，1m³烟气需用硝酸的物质的量（保留3位小数）．
      ②lm³烟气达到最高吸收率90%时，吸收后生成NaNO₂的质量（假设上述吸收反应中，反应①比反应②迅速．计算结果保留1位小数）．

Answer 1

分析 （1）①根据方程式计算参加反应的氨气的物质的量、生成的水的物质的量，进而计算剩余的氨气，再根据m=nM计算水、剩余氨气的质量，根据质量分数定义计算计算出得到的氨水的质量分数，最后根据c=$\frac{1000ρω}{M}$计算出该氨水的物质的量浓度；
②令气体中NO、N₂的物质的量分别为xmol、ymol，根据氮原子守恒、电子转移守恒列方程计算
（2）①计算出消耗二氧化氮的体积，然后结合反应方程式计算出生成四氧化二氮的体积，相同条件下气体的物质的量之比等于体积之比，然后根据M=$\frac{m}{n}$计算出平均摩尔质量；
②利用差量法计算出消耗的二氧化氮的体积，再计算出反应后混合气体中含有二氧化氮的体积；
（3）①根据n（NO）：n（NO₂）=9：1，结合1m³烟气中含有的二者质量计算烟气中n（NO）、n（NO₂），令需要加入的硝酸为2x，根据方程式NO+2HNO₃→3NO₂+H₂O可知，反应的n（NO）=x、生成n（NO₂）=3x，利用吸收率最高时比例关系列方程计算；
②发生反应NO+NO₂+Na₂CO₃→2NaNO₂+CO₂、2NO₂+Na₂CO₃→NaNO₂+NaNO₃+CO₂，由方程式可知n（NaNO₂）=2n（NO）+$\frac{1}{2}$[n（NO₂）-n（NO）]，再根据m=nM计算，注意吸收率为90%，实际质量为完全吸收的90%．

解答 解：（1）①参加反应的氨气为nmol、生成的水为bmol，则：
4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O
4        4     6
nmol    4mol   bmol
所以4：4=nmol：4mol，解得：n=4，
4：6=4mol：bmol，解得：b=6mol，
故剩余氨气为：5molmol-4mol=1mol，
所得氨水的质量分数为：$\frac{1mol×17g/mol}{1mol×17g/mol+6mol×18g/mol}$×100%=13.6%，
所得氨水的密度为0.75g/mL，则该氨水的浓度为：c=$\frac{1000×0.75×13.6%}{17}$：=6mol/L，
故答案为：6；
②设气体中NO、N₂的物质的量分别为xmol、ymol，
根据氮原子守恒有：x+2y=4
根据电子转移守恒有：5x+6y=4×2×2
联立解得：x=2，y=1，
故答案为：2；
（2）①在上述反应中有50% NO₂的转化为N₂O₄，根据反应2NO₂?N₂O₄可知，参加反应的二氧化氮的体积为4L×50%=2L，则反应生成的四氧化二氮的体积为：2L×$\frac{1}{2}$=1L，相同条件下气体的体积之比等于其物质的量之比，则反应后二氧化氮与四氧化二氮的物质的量之比为2：1，
所以反应后混合气体的平均摩尔质量为：$\frac{46×2+92×1}{2+1}$g/mol≈61.3g/mol，
故答案为：61.3；   
②将4LNO₂通过真空管反应后，恢复到原状况，得到气体3L，反应过程中混合气体总体积减少了1L，设参加反应的二氧化氮的体积为x，
2NO₂?N₂O₄ △V
2           1
x          1L，
x=$\frac{1L×2}{1}$=2L，
所以反应后混合气体中含有的NO₂的体积为：4L-2L=2L，
故答案为：2L；
（3）①由于n（NO）：n（NO₂）=9：1，则30×n（NO）+$\frac{1}{9}$n（NO）×46=2.107，解得n（NO）≈0.06mol，设需要加入的硝酸为2x，根据方程式NO+2HNO₃→3NO₂+H₂O可知，反应的n（NO）=x、生成n（NO₂）=3x，则（0.06-x）：（$\frac{1}{9}$×0.06+3x）=2：3，解得x=0.0185mol，故n（HNO₃）=2x=0.037mol，
答：为了达到最高吸收率，1m³烟气需用硝酸的物质的量0.037mol；
②发生反应NO+NO₂+Na₂CO₃→2NaNO₂+CO₂、2NO₂+Na₂CO₃→NaNO₂+NaNO₃+CO₂，由方程式可知n（NaNO₂）=2n（NO）+$\frac{1}{2}$[n（NO₂）-n（NO）]=$\frac{3}{2}$n（NO）+$\frac{1}{2}$n（NO₂）=$\frac{3}{2}$×（0.06mol-0.0185mol）+$\frac{1}{2}$×（$\frac{1}{9}$×0.06mol+3×0.0185mol）=0.0887mol，所以m（NaNO₂）=0.0933mol×69g/mol×90%=5.8g，
答：吸收后生成NaNO₂的质量为5.8g．

点评 本题考查了混合物反应的计算，题目难度较大，明确发生反应的实质为较大关键，试题知识点较大、计算量较大，充分考查了学生的分析能力及化学计算能力．