Question

14．某氮肥硫酸銨中混有硫酸氫銨．為測定該氮肥的含氮量，一化學研究性學習小組取一定量氮肥樣品，研磨使其混合均勻，備用．已知：
氫氧化鈉少量時2NH₄HSO₄+2NaOH=（NH₄）₂SO₄+Na₂SO₄+2H₂O
氫氧化鈉過量時NH₄HSO₄+2NaOH=Na₂SO₄+NH₃↑+2H₂O
（1）同學們設計的實驗裝置圖如下，請回答相關問題．
①裝置中堿石灰的作用是吸收氨氣中的水蒸氣．
②廣口瓶內四氯化碳的作用是防止倒吸．
③指導老師指出，用該裝置進行實驗，即使氫氧化鈉足量且實驗過程中無氨氣外逸，測得的樣品含氮量仍將偏低，其原因可能是殘留在反應裝置中的氨氣未被稀硫酸吸收．
（2）同學們改進實驗裝置后（改進裝置圖略），進行如下實驗．稱取不同質量的上述樣品分別與40.00mL相同濃度的氫氧化鈉溶液混合，完全溶解后，加熱充分反應（此溫度下銨鹽不分解），并使生成的氨氣全部被稀硫酸吸收，測得氨氣的質量．部分實驗數據如下：

氫氧化鈉溶液/mL	40.00
樣品質量/g	7.750	15.50	23.25
氨氣質量/g	1.870	1.870	1.700

請計算（計算結果保留兩位小數）：
①樣品中氮元素的質量分數是19.87%．
②所用氫氧化鈉溶液的物質的量濃度為3.25 mol/L．
③若樣品質量為31.00g，則生成氨氣的質量為1.53 g．

Answer 1

分析 （1）①堿石灰用于干燥氨氣；
②氨氣極易溶于水，容易發生倒吸現象；
③反應生成的氨氣不能夠被稀硫酸完全吸收；
（2）①根據實驗數據，判斷出第一組實驗中氫氧化鈉過量，所有的銨離子都生成了氨氣，根據氮原子守恒列式計算出樣品中氮元素的質量分數；
②根據第一組數據計算出硫酸銨和硫酸氫銨的含量，再根據第二組中所有的氫氧化鈉都參與了反應，即氫氧化鈉不足，計算出氫氧化鈉的濃度；
③根據氫氧化鈉的物質的量和樣品中硫酸氫鈉的物質的量，計算出生成的氨氣的物質的量及質量．

解答 （1）①生成的氨氣中含有水分，用堿石灰吸收氨氣中的水分，
故答案為：吸收氨氣中的水蒸氣；
②氨氣極易溶于水，容易發生倒吸，所以廣口瓶內四氯化碳用于防止倒吸，
故答案為：防止倒吸；
③用該裝置進行實驗，即使氫氧化鈉足量且實驗過程中無氨氣外泄，由于裝置內的氨氣不能完全被稀硫酸吸收，測得的樣品含氮量仍將偏低，
故答案為：殘留在反應裝置中的氨氣未被稀硫酸吸收；
（2）①設氮肥硫酸銨的質量分數為X，則硫酸氫銨的質量分數為（1-X），
從實驗方案的數據看出，第一個實驗和第二個實驗中生成的氨氣質量相同，說明第一個實驗中氫氧化鈉是過量的，所有銨離子都生產了氨氣，根據氮元素守恒，$\frac{7.75×X}{132}$×17+$\frac{7.75×（1-X）}{115}$=1.87
解得：X=0.85，
即氮肥中硫酸銨的質量分數為85%，硫酸氫銨的質量分數為15%，
根據氮原子守恒：氮原子的物質的量就等于氨氣的物質的量，
所以樣品中氮元素的質量分數為：$\frac{\frac{1.87}{17}×14}{7.75}$×100%=19.87%，
故答案為：19.87；
②假如第二個實驗方案中氫氧化鈉是過量的，則生成氨氣質量為：$\frac{15.50×0.85}{132}$+$\frac{15.50×0.15}{115}$≈3.74g＞1.87g，
這說明第二個實驗方案中，氫氧化鈉的物質的量不足，氫氧化鈉反應完硫酸氫銨中的氫離子后全部生成硫酸銨，剩余的氫氧根離子不足以將全部銨根離子反應溢出，而是只反應了一部分硫酸銨，放出了1.87g氨氣；
根據反應方程式：2NH₄HSO₄+2NaOH=（NH₄）₂SO₄+Na₂SO₄+2H₂O，（NH₄）₂SO₄+2NaOH=Na₂SO₄+2NH₃↑+2H₂O，
加入的氫氧化鈉的物質的量為：n（NH₄HSO₄）+n（NH₃）=$\frac{15.5×0.15}{115}$mol+$\frac{1.87}{17}$mol≈0.13mol，
氫氧化鈉溶液的濃度為：$\frac{0.13mol}{0.04L}$=3.25mol/L，
故答案為：3.25；
③若樣品質量為31g，則加入的氫氧化鈉物質的量還是0.13mol，
根據反應方程式：2NH₄HSO₄+2NaOH=（NH₄）₂SO₄+Na₂SO₄+2H₂O，
反應中硫酸氫銨消耗的氫氧化鈉的物質的量為：$\frac{31×0.15}{115}$mol=0.04mol，
剩下的氫氧化鈉物質的量為：0.13mol-0.04mol=0.09mol，
根據反應方程式：（NH₄）₂SO₄+2NaOH=Na₂SO₄+2NH₃↑+2H₂O，生成的氨氣的物質的量為：0.09mol，
所以生成的氨氣的質量為：17g/mol×0.09mol=1.53g，
故答案為：1.53．

點評 本題考查了測定氮肥硫酸銨中氮元素的含量，題目計算量比較大，需要合理分析、應用題中實驗數據，得出正確結論，本題充分考查了所學的分析、理解和綜合計算能力，本題難度稍大．