Question

7．硝酸在有機合成、醫藥化工、化纖等行業應用非常廣泛．工業上用氨催化氧化法可生產硝酸，其生產過程可表示為：
4NH₃+5O₂$\stackrel{催化劑，△}{→}$4NO+6H₂O----①4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃----②
完成下列計算：
（1）密度為1.4g/cm³的65% 的濃硝酸的物質的量濃度為14.44mol/L，要配制3mol/L的稀硝酸100ml，則需此濃硝酸20.8mlml．
（2）如果以一定量的氨氣在一密閉容器中與足量氧氣發生上述反應，冷卻后所得溶液中溶質的質量分數是78%．
（3）現以1.70噸液氨為原料生產硝酸，然后加入4.50噸水，得到密度為1.31g/cm³的硝酸，該硝酸的物質的量濃度是10.40mol/L．（假設生產過程中反應物和生成物均無損耗）
（3）硝酸工業尾氣中的NO、NO₂屬于大氣的主要污染物．已知1m³硝酸工業的尾氣中含3160mg NO_x，其中n（NO）：n（NO₂）=9：1．
①如果用NaOH溶液完全吸收NO_x，至少需要補充標準狀況下的富氧空氣多少升？（富氧空氣中O₂的體積分數為0.25）（寫出計算過程）
②如果用氨催化還原法，即用氨作還原劑，將NO、NO₂轉化為氮氣直接排入空氣中，需要氨氣的質量為多少克？（寫出計算過程）

Answer 1

分析 （1）根據c=$\frac{1000ρω}{M}$計算出質量分數為65%、密度為1.4g/cm³的濃硝酸的濃度，然后根據溶液稀釋前后溶質的物質的量不變計算出配制3mol/L的硝酸100mL，需要該濃硝酸的體積；
（2）4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O①與4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃②相加得到4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，據此計算硝酸的質量分數；
（3）質量轉化為物質的量，依據NH₃～HNO₃，計算硝酸的物質的量，依據V=$\frac{m}{V}$計算硝酸溶液的密度，依據公式C=$\frac{n}{V}$計算硝酸的物質的量濃度；
（4）①設混合氣體中含有xmolNO，ymolNO₂，依據題干條件n（NO）：n（NO₂）=9：1，及總質量為3160mg，計算兩種氣體的物質的量，
氫氧化鈉與一氧化氮氣體、二氧化氮混合氣體反應，方程式為：NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O，反應后剩余氣體為一氧化氮，將剩余其一般氧化為二氧化氮，依據得失電子守恒計算氧化一氧化氮用的氧氣的體積，依據富氧空氣中氧氣的含量計算需要富氧空氣的體積；
②依據得失電子守恒可知NO、NO2中氮原子變為氮氣中0價的N 得到電子總數等于NH3中-3價的N變為氮氣中0價的N失去電子總數，據此解答．

解答 解：（1）質量分數為65%、密度為1.4g/cm³的濃硝酸的濃度為：c=$\frac{1000×1.4×65%}{63}$mol/L=14.4mol/L，
溶液稀釋前后溶質的物質的量不變，則：C_濃•V_濃=C_稀•V_稀
14.4mol/L•V_濃=3mol/L•0.1L
解得：V_濃=0.0208L=20.8ml，
故答案為：14.44 mol/L； 20.8 ml；
（2）4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O①與4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃②相加得到4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，所以硝酸的質量分數為：$\frac{4×63}{4×63+4×18}$×100%=0.78；
故答案為：78%；
（3）1.70噸液氨的物質的量為：$\frac{1.7×1{0}^{6}}{17}$=0.1×10⁶mol，依據轉化關系4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，可知生成的硝酸的物質的量為0.1×10⁶mol；消耗氧氣的物質的量為：0.2×10⁶mol；依據方程式4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，可知硝酸溶液的質量=液氨的質量+水的質量+消耗氧氣的質量=1.70×10⁶+4.50×10⁶+×32×0.2×10⁶=12.6×10⁶（g）
該硝酸溶液的體積V=$\frac{m}{ρ}$=$\frac{12.6×1{0}^{6}}{1.31×1{0}^{3}}$=9.62×10³（L），則C（HNO₃）=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.1×1{0}^{6}}{9.62×1{0}^{3}}$=10.40（mol/L）；
故答案為：10.40；

（4）①由題意可知：n（NO）：n（NO₂）=9：1，及總質量為3160mg，設設混合氣體中含有xmolNO，ymolNO₂，
則：x：y=9：1；30x+46y=3.16；解得x=0.09；y=0.01；
與一氧化氮氣體、二氧化氮混合氣體反應，方程式為：NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O，
                                            1     1
                                          0.01mol 0.01mol
剩余NO物質的量為0.09mol-0.01mol=0.08mol，要想完全被吸收，則只需要用氧氣氧化0.04molNO生成0.04mol二氧化氮，依據得失電子守恒得：0.04mol
×（4-2）=n（O₂）×4，解得n（O₂）=0.02mol，標況下體積為：0.02mol×22.4L/mol=0.448L，
而富氧空氣中O₂的體積分數為0.25，所以需要富氧空氣的體積為：0.448L÷0，25=1.792L；
答：至少需要補充標準狀況下的富氧空氣1.792L；
②由①知1m³硝酸工業的尾氣中含3160mg NO_x，含有NO0.09mol，含有NO₂0.01mol，如果用氨催化還原法，即用氨作催化劑，將NO、NO₂轉化為氮氣直接排入空氣中，設需要氨氣的物質的量為：n（NH₃）則依據得失電子守恒可知：0.09mol×（2-0）+0.01mol×（4-0）=n（NH₃）×（0-（-3）），
解得n（NH₃）=$\frac{0.22}{3}$（mol）
其質量為：$\frac{0.22}{3}$mol×17g/mol=1.25g；
答：氨氣的質量為1.25g．

點評 本題考查了有關方程式的計算，明確方程式中各物質的物質的量的關系及物質的性質是解題關鍵，注意原子個數、得失電子數守恒規律的應用，題目難度較大．