题目内容

13．HNO3是极其重要的化工原料．工业上制备HNO3采用NH3催化氧化法，将中间产生的NO2在密闭容器中多次循环用水吸收制备的． 据此完成下列试题：
（1）假如氨制NO的产率是96%，NO制硝酸的产率是92%，氨被硝酸的吸收率为100%，则制备80吨 NH4NO3所需氨的体积（标准状况）为47762m3（四舍五入保留整数部分）．
（2）工业上用水吸收二氧化氮生产硝酸，生成的气体经过多次氧化、吸收的循环操作使其充分转化为硝酸（假定上述过程中无其它损失）．
①设循环操作的次数为n，NO2→HNO3转化率与循环操作的次数n之间关系的数学表达式为a=1-（$\frac{1}{3}$）n．
②一定量的二氧化氮气体要经过3次循环操作，才能使95%的二氧化氮转变为硝酸．
（3）上述方法制备的HNO3为稀HNO3，将它用水稀释或蒸馏、浓缩可制得不同浓度的HNO3．实验证明：不同浓度的HNO3与同一金属反应可生成不同的还原产物．例如，镁与硝酸反应实验中，测得其气相产物有H2、N2、NO、NO2，液相产物有Mg（NO3）2，NH4NO3和H2O．生成这些产物的HNO3浓度范围为：c（H2）＜6.6mol/L、c（N2）＜10mol/L、c（NH4+）＜10mol/L、0.1mol/L＜c（NO）＜10mol/L、c（NO2）＞0.1mol/L．各气相产物成分及含量随HNO3浓度变化曲线如图所示．
①写出Mg与11mol/L的HNO3反应的化学方程式Mg+4HNO3=Mg（NO3）2+2NO2↑+2H2O．
②960 g Mg与1000L 4mol/L的HNO3恰好完全反应，常温常压下收集到244 L气体，试通过计算写出反应方程式40Mg+100 HNO3=5NO↑+3N2↑+H2↑+NO2↑+4NH4NO3+40Mg（NO3）2+41H2O．

分析 （1）整个过程中氨气有2部分作用，一是制备硝酸，由N元素守恒可得关系式NH3～HNO3，二是与硝酸反应得到NH4NO3，由方程式可知实际利用的氨气与硝酸物质的量相等，二者质量之比为17：63，结合硝酸铵的质量计算生成硝酸铵反应中实际参加反应的氨气、硝酸质量，每一步利用率都转化为起始原料利用率，计算与硝酸反应得到NH4NO3时投入氨气的质量，根据关系式NH3～HNO3计算合成硝酸过程中氨气的质量，二者之和为需要氨气总质量；
（2）①设起始时NO2物质的量为1 mol，经过n次循环后生成HNO3的物质的量为：Sn=$\frac{2}{3}$+$\frac{2}{3}$×$\frac{1}{3}$+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）2+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）3+??????+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）n-1，经等比数列求和可得，再根据转化率公式求算出转化率a与循环次数n之间关系；
②根据①中的表达式计算；
（3）①根据图象可知当硝酸浓度大于10.0mol/L时，气体产物只有NO2，根据得失电子守恒和原子守恒写出方程式；
②960g Mg与1000L 4.0mol/L的HNO3充分反应，Mg的物质的量比较少，反应中硝酸过量，由图象可知：n（NO）：n（N2）：n（NO2）：n（H2）=5：3：1：1，同时还原产物还有NH4+，根据Mg失去电子总数与气体得到电子数之差，求出NH4+的量，再通过原子守恒配平方程．

解答 解：（1）整个过程中氨气有2部分作用，一是制备硝酸，由N元素守恒可得关系式NH3～HNO3，二是与硝酸反应得到NH4NO3，由方程式可知实际利用的氨气与硝酸物质的量相等，二者质量之比为17：63，
生产80吨的硝酸铵时，参加反应氨气为80吨×$\frac{17}{80}$=17吨，需要硝酸为80吨-17吨=63吨，
设制备 63t HNO3 需要NH3的质量为m，则：
NH3～～～～～～～～～～～～～～～HNO3
17                            63
m×96%×92%                    63 t
所以17：63=m×96%×92%：63 t
解得m=$\frac{17}{0.96×0.92}$ t，
所以V（NH3）=[（$\frac{17}{0.96×0.92}$+17）×106÷17g/mol]×22.4L/mol=47.762×106L=47762m3，
故答案为：47762；
（2）①设起始时NO2物质的量为1 mol，经过n次循环后生成HNO3的物质的量为：Sn=$\frac{2}{3}$+$\frac{2}{3}$×$\frac{1}{3}$+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）2+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）3+??????+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）n-1，经等比数列求和可得：Sn=1-（$\frac{1}{3}$）n，则NO2生成HNO3转化率为：$\frac{1-（\frac{1}{3}）^{n}}{1}$=a，即a=1-（$\frac{1}{3}$）n；
故答案为：a=1-（$\frac{1}{3}$）n；
②n=1时，转化率为66.7%
n=2时，转化率为1-$\frac{1}{9}$=88.9%＜96%
n=3时，转化率为1-$\frac{1}{27}$=96.3%＞96%
故经过3次循环操作，才能使95%的二氧化氮转变为硝酸，
故答案为：3；
（3）①根据图象可知当硝酸浓度大于10.0mol/L时，气体产物只有NO2，Mg+HNO3→Mg（NO3）2+NO2↑+H2O，反应中HNO3→NO2，N元素从+5价降到+4价得到1个电子，
Mg→Mg（NO3）2，Mg元素从0价升到+2价失去2个电子，所以Mg的计量数为1，NO2的计量数为2，再根据原子守恒配平：Mg+4HNO3=Mg（NO3）2+2NO2↑+2H2O；
故答案为：Mg+4HNO3=Mg（NO3）2+2NO2↑+2H2O；
②960g  Mg与1000L 4mol/L的HNO3充分反应，Mg的物质的量为40mol，HNO3的物质的量为4000mol，反应中硝酸过量，
由图象可知：n（NO）：n（N2）：n（NO2）：n（H2）=5：3：1：1，同时还原产物还有NH4+，
40 molMg失去电子为80 mol，反应生成气体n=$\frac{224L}{22.4L/mol}$=10mol，其中n（NO）=10mol×$\frac{5}{10}$=5mol，nn（N2）=3mol，n（NO2）=1mol，n（H2）=1mol，则气体得到电子数为5mol×3+3mol×5×2+1mol×1+1mol×2=48mol，
则生成NH4+时N元素得到的电子为80mol-48mol=32，所以生成NH4+的量为32×$\frac{1}{8}$=4mol，
所以n（NO）：n（N2）：n（NO2）：n（H2）：n（NH4+）：n（Mg）=5：3：1：1：4：40，
故反应方程为：40Mg+100 HNO3=5NO↑+3N2↑+H2↑+NO2↑+4NH4NO3+40Mg（NO3）2+41H2O；
故答案为：40Mg+100 HNO3=5NO↑+3N2↑+H2↑+NO2↑+4NH4NO3+40Mg（NO3）2+41H2O．

点评 本题考查化学计算，题目计算量大、过程复杂，属于易错题目，侧重考查学生分析计算能力，难度比较大．

练习册系列答案
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3．下列说法正确的是（　　）
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D．向溶液中加入醋酸呈酸性，则一定是c（CH3COO-）＞c（Na+）＞c（H+）＞c（OH-）

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