Question

12．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+6H₂O①
4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃②
完成下列計算：
（1）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0.78．（保留2位小數，下同．）
（2）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）把22.40g鐵完全溶解于某濃度的硝酸中，反應只收集到 0.30mol NO₂和0.20mol NO．通過計算推斷反應后溶液中溶質的成分及其物質的量．（寫出計算過程）
（4）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，即用氨作催化劑，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）4NH₃+5O₂$\stackrel{催化劑、△}{→}$4NO+6H₂O①與4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃②相加得到4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，據此計算硝酸的質量分數；
（2）質量轉化為物質的量，依據NH₃～HNO₃，計算硝酸的物質的量，依據V=$\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；
（3）鐵與濃硝酸反應生成二氧化氮，與稀硝酸反應生成一氧化氮，當硝酸足量時，反應只生成硝酸鐵，硝酸不足量時生成硝酸亞鐵，依據生成的一氧化氮、二氧化氮的物質的量，消耗鐵的物質的量，利用原子個數守恒、得失電子數守恒計算解答；
（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）4NH₃+5O₂$\stackrel{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}$=0.78；
故答案為：0.78；
（2）1.70噸液氨的物質的量為：$\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}}$=10.40（mol/L）；
故答案為：10.40；
（3）鐵與濃硝酸反應生成二氧化氮，與稀硝酸反應生成一氧化氮，當硝酸足量時，反應只生成硝酸鐵，硝酸不足量時生成硝酸亞鐵，設最后溶液中含有硝酸鐵物質的量為xmol，硝酸亞鐵的物質的量為ymol，
則已經得失電子守恒可知鐵生成三價鐵和二價鐵離子失去電子總數等于硝酸還原為二氧化氮和一氧化氮得到電子總數即：3x+2y=0.30mol×（5-4）+0.20mol×（5-2）；
依據鐵原子個數守恒可知：x+y=$\frac{22.4}{56}$；
解方程組：3x+2y=0.30mol×（5-4）+0.20mol×（5-2）；
          x+y=$\frac{22.4}{56}$；
得x=0.1mol，y=0.3mol；
所以最后溶液中含有硝酸鐵，物質的量為0.1mol；含有硝酸亞鐵，物質的量為0.3mol；
故答案為：Fe（NO₃）₂ 0.3mol、Fe（NO₃）₃0.1mol；
（4）①由題意可知：n（NO）：n（NO₂）=9：1，及總質量為3160mg，設設混合氣體中含有xmolNO，ymolNO₂，
則：x：y=9：1；
30x+46y=3.16；
解得x=0.09；y=0.01；
與一氧化氮氣體、二氧化氮混合氣體反應，方程式為：NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O，
                                           1    1
                                         0.01mol 0.01mol
剩余NO物質的量為0.09mol-0.01mol=0.08mol，要想完全被吸收，則只需要用氧氣氧化0.04molNO生成0.04mol二氧化氮，依據得失電子守恒得：0.04mol
×（4-2）=n（O₂）×4，解得n（O₂）=0.02mol，標況下體積為：0.02mol×22.4L/mol=0.448L，
而富氧空氣中O₂的體積分數為0.25，所以需要富氧空氣的體積為：0.448L÷0，25=1.792L；
故答案為：1.792L；
②由①知1m³硝酸工業的尾氣中含3160mg NO_x，含有NO0.09mol，含有NO₂0.01mol，如果用氨催化還原法，即用氨作催化劑，將NO、NO₂轉化為氮氣直接排入空氣中，設需要氨氣的物質的量為：n（NH₃）則依據得失電子守恒可知：0.09mol×（2-0）+0.01mol×（4-0）=n（NH₃）×（0-（-3）），
解得n（NH₃）=$\frac{0.22}{3}$（mol）
其質量為：$\frac{0.22}{3}$mol×17g/mol=1.25g；
故答案為：1.25．

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．