Question

16．工業上用氨氣與空氣混合，通過“氨的催化氧化”等反應工業合成硝酸及其他產品．
（1）將NH₃與O₂在一定條件下充分反應后全部轉化為硝酸溶液，則此硝酸溶液中溶質的質量分數為77.78%，若所得硝酸密度為ρg/cm³，則其物質的量濃度為12.35ρmol/L（保留兩位小數）．
（2）某化肥廠以氨為原料制備 NH₄NO₃，已知由氨制 NO 的產率是 96%，NO 制硝酸的產率是 92%，氨被硝酸的吸收率為100%，則制備80噸 NH₄NO₃所需氨的體積（標準狀況）為47435.29 m³（保留兩位小數）．
（3）一定量的濃硝酸與銅反應生成NO、NO₂、N₂O₄混合氣體．測出混合氣體密度是同溫同壓下氫氣的28倍．再將氣體通過足量水充分吸收后，體積變為原來的2/3（相同條件下測定）．計算混合氣體中NO₂的體積分數．
（4）合成氨原料氣由CH₄在高溫下與水蒸氣、空氣反應而得．反應原理如下：CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂  2CH₄+O₂+2H₂O→2CO₂+6H₂．將反應后的混合氣中CO₂、H₂O （g）通過吸收和干燥除去后，只含N₂和H₂．為使進入合成氨反應塔兩者體積比為1：3．計算起始氣體中CH₄和空氣的比例．（已知空氣中O₂和N₂的體積比為1：4）．

Answer 1

分析 （1）由方程式4NH₃+5O₂═4NO+6H₂O，4NO+3O₂+2H₂O═4HNO₃分析解答；根據公式C=$\frac{1000ρw}{M}$來分析求解；
（2）根據方程式和關系式來計算氨氣的物質的量，然后根據公式V=nVm來求解；
（3）對氫氣的相對密度為28的混合氣體，平均分子量為56，濃硝酸與足量的銅反應Cu+4HNO₃（濃）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O，3Cu+8HNO₃=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，NO₂分子量為46，NO分子量為30，所以，此時存在2NO₂?N₂O₄，即混合氣體是：NO₂、N₂O₄、NO，設生成1mol混合氣體，三者的物質的量分別為xmol、ymol、zmol，根據物質的量以及平均摩爾質量列式，結合氣體通過水后，體積縮小了$\frac{1}{3}$計算xmol、ymol、zmol．相同條件下，體積百分含量等于物質的量分數；
（4）N₂和H₂進入合成氨反應塔兩者體積比為1：3，可以設氮氣的體積為4x，而氫氣的體積為12x，則氧氣的體積為x，根據方程式2CH₄+O₂+2H₂O→2CO₂+6H₂，x體積的氧氣生成6x體積的氫氣，消耗2x體積的CH₄，另外6x體積的氫氣由CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂，消耗CH₄為：$\frac{3}{2}$體積，由此分析解答．

解答 解：（1）設氨氣的物質的量為4xmol，則硝酸溶液中溶質的質量分數為：$\frac{4x×63}{4x×63+（6x-2x）×18}$=77.78%，C=$\frac{1000ρw}{M}$=$\frac{1000×ρ×0.778}{63}$=12.35ρmol/L，故答案為：77.78%；12.35ρmol/L；
（2）根據合成 NH₄NO₃ 的反應：NH₃+HNO₃=NH₄NO₃，合成80tNH₄NO₃時，需要用63tHNO₃ 吸收17t的 NH₃，設制備 63tHNO₃ 需要m（NH₃）
    NH₃～～～～～～～～～～～～～～～HNO₃
    17                             63
m（NH3）×96%×92%                 63 t
$\frac{17}{m（N{H}_{3}）×96%×92%\\;}=\frac{63}{63t}$
解之得：m（NH₃）=19 t，所以V（NH₃）=$\frac{（17+19）×1{0}^{6}}{17}×22.4×1{0}^{-3}$=47435.29（m³），故答案為：47435.29（m³）；
（3）濃硝酸與足量的銅反應Cu+4HNO₃（濃）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O，3Cu+8HNO₃=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，反應生成的氣體NO₂分子量為46，NO分子量為30，得到對氫氣的相對密度為28的混合氣體，平均分子量為56，說明此時存在2NO₂?N₂O₄，即混合氣體是：NO₂、N₂O₄、NO，設生成1mol混合氣體，三者的物質的量分別為xmol、ymol、zmol，x+y+z=1mol①，平均相對分子質量為56，得46x+92y+30z=56②，氣體通過水后，體積縮小了$\frac{1}{3}$，即最后氣體體積為$\frac{2}{3}$，N₂O₄相當于2個NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，相當于NO₂和N₂O₄與水反應生成NO，3個NO₂生成1個NO，即：，$\frac{（x+2y）}{3}+z=\frac{2}{3}$③，聯①②③解得：x=y=z=$\frac{1}{3}$mol，則混合氣體中含NO₂的體積百分含量為$\frac{1}{3}$≈33.3%，答：混合氣體中NO₂的體積分數為33.3%；
（4）N₂和H₂進入合成氨反應塔兩者體積比為1：3，可以設氮氣的體積為4x，而氫氣的體積為12x，則氧氣的體積為x，根據方程式2CH₄+O₂+2H₂O→2CO₂+6H₂，x體積的氧氣生成6x體積的氫氣，消耗2x體積的CH₄，另外6x體積的氫氣由CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂，消耗CH₄為：$\frac{3}{2}$x體積，起始氣體中CH₄和空氣的比例為：（2x+$\frac{3}{2}$x）：5x=7：10，答：起始氣體中CH₄和空氣的比例為7：10．

點評 本題考查氮的化合物的計算，為高頻考點，注意隱含條件2NO₂?N₂O₄為解答的關鍵，側重考查學生的分析思維能力與解題方法技巧，題目難度中等．