Question

14．氮的單質及其化合物在生活和生產中有很重要的用途．
（1）氨是合成硝酸、銨鹽和氮肥的基本原料．在一定條件下用氮氣和氫氣合成氨氣，然后再用氨氧化法制取硝酸．在整個生產過程中，氮氣的利用率為85%．寫出氨氧化法制取硝酸的反應式4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O，2NO+O₂=2NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO．現有0.2t液態氮，能生產出濃度為40%的硝酸1912.5千克．
（2）向27.2g Cu和Cu₂O的混合物中加入某濃度的稀硝酸0.5L，固體物質完全反應，生成NO和Cu（NO₃）₂．在所得溶液中加入1.0mol•L^-1的NaOH溶液1.0L，此時溶液呈中性．金屬離子已完全沉淀，沉淀質量為39.2g．求：
①Cu與Cu₂O的物質的量之比？
②硝酸的物質的量濃度？
（3）將30mLNO和O₂混合氣體通入過量NaOH溶液中，充分反應后，溶液中只含兩種溶質（不考慮水解），且剩余氣體體積為2mL．求原混合氣體中NO和O₂體積比？

Answer 1

分析 （1）氨氧化法制取硝酸流程為：氨氣催化氧化生成NO，然后NO與氧氣反應生成NO₂，最后NO₂與水反應生成HNO₃；
根據關系式N₂～2HNO₃計算生產濃度40%的硝酸的質量；
（2）在所得溶液中加入1L NaOH溶液，反應后溶液呈中性，金屬離子已完全沉淀，溶液中溶質為NaNO₃，n（NaNO₃）=n（NaOH）=1.0mol/L×1.0L=1mol，沉淀為Cu（OH）₂，質量為39.2g，氫氧化鐵物質的量為：$\frac{39.2g}{98g/mol}$=0.4mol，根據銅元素守恒有n（Cu）+2n（Cu₂O）=n[Cu（OH）₂]，反應后的溶液中n[[Cu（NO₃）₂]=n[Cu（OH）₂]=0.4mol；
①設Cu和Cu₂O的物質的量分別為xmol、ymol，根據二者質量及Cu元素物質的量列方程計算二者的物質的量之比；
②利用電子轉移守恒計算n（NO），根據N元素守恒可知原硝酸溶液n（HNO₃）=n（NO）+n（NaNO₃），根據Na元素可知n（NaNO₃）=n（NaOH），進而計算硝酸濃度；
（3）氫氧化鈉溶液過量，反應后溶液中只含兩種溶質，則反應生成NaNO₃，發生的反應為：4NO+3O₂+4NaOH=4NaNO₃+2H₂O，剩余的氣體可能為氧氣，也可能為NO，根據反應方程式進行討論計算出混合氣體中NO與O₂的體積．

解答 解：（1）氨氧化法制取硝酸的反應式：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O，2NO+O₂=2NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO；
設能生產出濃度為40%的硝酸x千克，則：
N₂～～～～～～～～2HNO₃
28               126
200千克×85%      40%×x千克
則28：126=200千克×85%：40%×x千克
解得x=1912.5
故答案為：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O，2NO+O₂=2NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO；1912.5；
（2）①在所得溶液中加入NaOH溶液后，此時溶液呈中性，金屬離子已完全沉淀，溶液中溶質為NaNO₃，n（NaNO₃）=n（NaOH）=1.0mol/L×1.0L=1mol，沉淀為Cu（OH）₂，質量為39.2g，Cu（OH）₂的物質的量為：$\frac{39.2g}{98g/mol}$=0.4mol，
根據銅元素守恒有：n（Cu）+2n（Cu₂O）=n[Cu（OH）₂]，所以反應后的溶液中n[[Cu（NO₃）₂]=n[Cu（OH）₂]=0.4mol，
設Cu和Cu₂O的物質的量分別為xmol、ymol，根據二者質量可得：64x+144y=27.2，
根據銅元素守恒有：x+2y=0.4，
聯立方程解得：x=0.2，y=0.1，
所以原固體混合物中Cu和Cu₂O的物質的量之比為2：1，
答：混合物中Cu和Cu₂O的物質的量之比為2：1；
②根據電子轉移守恒可知：3n（NO）=2n（Cu）+2n（Cu₂O），
即3n（NO）=2×0.2mol+2×0.1mol，
則n（NO）=0.2mol，
根據N元素守恒可知n（HNO₃）=n（NO）+n（NaNO₃）=0.2mol+1.0mol/L×1.0L=1.2mol，所以原硝酸溶液的濃度為$\frac{1.2mol}{0.5L}$=2.4mol/L，
答：硝酸的物質的量濃度是2.4mol/L．
（3）氫氧化鈉溶液過量，反應后溶液中只含兩種溶質，則反應生成NaNO₃，發生的反應為：4NO+3O₂+4NaOH=4NaNO₃+2H₂O，發生反應的NO和O₂的總體積為：30mL-2mL=28mL，
若剩余的2mL為NO時，氧氣體積為28mL×$\frac{3}{7}$=12mL，NO體積為：30mL-12mL=18mL，原混合氣體中NO和O₂體積比18mL：12mL=3：2；
若剩余的2mL為氧氣時，NO體積為28mL×$\frac{4}{7}$=16mL，氧氣體積為：30mL-16mL=14mL，原混合氣體中NO和O₂體積比16mL：14mL=8：7；
答：原混合氣體中NO和O₂體積比為3：2或8：7．

點評 本題考查化學方程式計算、混合物計算，屬于拼合型題目，注意守恒法、討論法在化學計算中的應用．