Question

20．硝酸是重要的化工原料，工业上用氨催化氧化法生产硝酸，反应如下：
①氧化炉：4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O
②吸收塔：4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃
设空气中氧气的体积分数为0.20，氮气体积分数为0.80．
完成下列计算：
（1）1mol NH₃完全转化为NO至少需要空气6.25mol．工业上先将氨气和空气混合好，在氧化炉反应后直接通入吸收塔中用冷水吸收，为了确保吸收效果，第②步反应要求氧气至少过量20%，计算起始时空气与氨气的体积比至少为10.75
（2）硝酸工业产生的氮氧化物尾气（NO和NO₂），可用烧碱吸收，反应如下：
①NO+NO₂+2NaOH→2NaNO₂+H₂O
②2NO₂+2NaOH→NaNO₃+NaNO₂+H₂O
现有含0.5mol氮氧化物的尾气，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溶液的体积为125mL．若将尾气中NO与NO₂的平均组成记为NO_x，则x=1.7．
（3）工业上用硝酸与氨气反应制取硝酸铵：HNO₃+NH₃→NH₄NO₃，反应时NH₃的吸收率为97%，硝酸的利用率为98%．在用氨气制取硝酸时，氨气的利用率为90%．计算生产80吨的硝酸铵共需氨气多少吨？（保留1位小数）

Answer 1

分析 （1）根据方程式计算消耗氧气物质的量，空气中氧气含量为0.2，进而计算需要空气物质的量；
由N原子守恒可知1mol氨气得到NO为1mol，由方程式可知第二步反应中消耗氧气为0.75mol，根据氧气过量20%计算第一步反应后剩余氧气物质的量，可得氧气总物质的量，进而计算空气总物质的量，相同条件下体积之比等于其物质的量之比；
（2）由反应后溶液中离子浓度之比计算反应后溶液中NaOH、NaNO₂、NaNO₃的物质的量，根据钠离子守恒可知n_总（NaOH）=n_余（NaOH）+n（NaNO₃）+n（NaNO₂），进而计算氢氧化钠溶液体积；
再根据方程式计算NO和NO₂的物质的量，结合N、O原子数目之比确定x的值；
（3）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，根据氨气吸收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．

解答 解：（1）由4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O，可知1mol NH₃完全转化为NO需要氧气物质的量为1mol×$\frac{5}{4}$=1.25mol，空气中氧气含量为0.2，需要空气最少物质的量为1.25mol÷0.2=6.25mol；
由N原子守恒可知1mol氨气得到NO为1mol，由4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃可知，第二步反应中消耗氧气为1mol×$\frac{3}{4}$=0.75mol，则第一步反应后剩余氧气物质的量0.75mol×（1+20%）=0.9mol，故需要氧气总体积为（1.25mol+0.9mol）=2.15mol，故需要空气物质的量为2.15mol÷0.2=10.75mol，则起始时空气与氨气的体积比至少为10.75mol：1mol=10.75，
故答案为：6.25；10.75；
（2）反应后溶液中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，则n_余（NaOH）=5n（NaNO₃）=0.5mol，根据钠离子守恒可知n_总（NaOH）=n_余（NaOH）+n（NaNO₃）+n（NaNO₂）=0.5mol+0.1mol+0.4mol=1mol，故NaOH溶液体积为$\frac{1mol}{8mol/L}$=0.125L，即为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为0.15mol，NO₂为0.5mol-0.15mol=0.35mol，
则混合物中N、O原子数目之比为0.5mol：（0.15mol+0.35mol×2）=1：1.7，则x=1.7
故答案为：125；1.7；
（3）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，
合成NH₄NO₃时NH₃的吸收率为97%，故投入的氨气17吨÷97%=17.53吨，
设合成硝酸需要氨气为m，则：
     NH₃～～～HNO₃
     17      63
m×90%×98%   63吨
所以17：63=m×90%×98%：63吨，解得m=19.27
故需要氨气总质量为17.53吨+19.27吨=36.8吨，
答：需要氨气36.8吨．

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，难度中等．