Question

12．硝酸在有机合成、医药化工、化纤等行业应用非常广泛．工业上用氨催化氧化法可生产硝酸，其生产过程可表示为：
4NH₃+5O₂$\stackrel{催化剂、△}{→}$4NO+6H₂O①
4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃②
完成下列计算：
（1）如果以一定量的氨气在一密闭容器中与足量氧气发生上述反应，冷却后所得溶液中溶质的质量分数是0.78．（保留2位小数，下同．）
（2）现以1.70吨液氨为原料生产硝酸，然后加入4.50吨水，得到密度为1.31g/cm³的硝酸，该硝酸的物质的量浓度是10.40mol/L．（假设生产过程中反应物和生成物均无损耗）
（3）把22.40g铁完全溶解于某浓度的硝酸中，反应只收集到 0.30mol NO₂和0.20mol NO．通过计算推断反应后溶液中溶质的成分及其物质的量．（写出计算过程）
（4）硝酸工业尾气中的NO、NO₂属于大气的主要污染物．已知1m³硝酸工业的尾气中含3160mg NO_x，其中n（NO）：n（NO₂）=9：1．
①如果用NaOH溶液完全吸收NO_x，至少需要补充标准状况下的富氧空气多少升？（富氧空气中O₂的体积分数为0.25）（写出计算过程）
②如果用氨催化还原法，即用氨作催化剂，将NO、NO₂转化为氮气直接排入空气中，需要氨气的质量为多少克？（写出计算过程）

Answer 1

分析 （1）4NH₃+5O₂$\stackrel{催化剂、△}{→}$4NO+6H₂O①与4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃②相加得到4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，据此计算硝酸的质量分数；
（2）质量转化为物质的量，依据NH₃～HNO₃，计算硝酸的物质的量，依据V=$\frac{m}{V}$计算硝酸溶液的密度，依据公式C=$\frac{n}{V}$计算硝酸的物质的量浓度；
（3）铁与浓硝酸反应生成二氧化氮，与稀硝酸反应生成一氧化氮，当硝酸足量时，反应只生成硝酸铁，硝酸不足量时生成硝酸亚铁，依据生成的一氧化氮、二氧化氮的物质的量，消耗铁的物质的量，利用原子个数守恒、得失电子数守恒计算解答；
（4）①设混合气体中含有xmolNO，ymolNO₂，依据题干条件n（NO）：n（NO₂）=9：1，及总质量为3160mg，计算两种气体的物质的量，
氢氧化钠与一氧化氮气体、二氧化氮混合气体反应，方程式为：NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O，反应后剩余气体为一氧化氮，将剩余其一般氧化为二氧化氮，依据得失电子守恒计算氧化一氧化氮用的氧气的体积，依据富氧空气中氧气的含量计算需要富氧空气的体积；
②依据得失电子守恒可知NO、NO2中氮原子变为氮气中0价的N 得到电子总数等于NH3中-3价的N变为氮气中0价的N失去电子总数，据此解答．

解答 解：（1）4NH₃+5O₂$\stackrel{催化剂、△}{→}$4NO+6H₂O①与4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃②相加得到4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，所以硝酸的质量分数为：$\frac{4×63}{4×63+4×18}$=0.78；
故答案为：0.78；
（2）1.70吨液氨的物质的量为：$\frac{1.7×1{0}^{6}}{17}$=0.1×10⁶mol，依据转化关系4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，可知生成的硝酸的物质的量为0.1×10⁶mol；消耗氧气的物质的量为：0.2×10⁶mol；依据方程式4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，可知硝酸溶液的质量=液氨的质量+水的质量+消耗氧气的质量=1.70×10⁶+4.50×10⁶+×32×0.2×10⁶=12.6×10⁶（g）
该硝酸溶液的体积V=$\frac{m}{ρ}$=$\frac{12.6×1{0}^{6}}{1.31×1{0}^{3}}$=9.62×10³（L），则C（HNO₃）=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.1×1{0}^{6}}{9.62×1{0}^{3}}$=10.40（mol/L）；
故答案为：10.40；
（3）铁与浓硝酸反应生成二氧化氮，与稀硝酸反应生成一氧化氮，当硝酸足量时，反应只生成硝酸铁，硝酸不足量时生成硝酸亚铁，设最后溶液中含有硝酸铁物质的量为xmol，硝酸亚铁的物质的量为ymol，
则已经得失电子守恒可知铁生成三价铁和二价铁离子失去电子总数等于硝酸还原为二氧化氮和一氧化氮得到电子总数即：3x+2y=0.30mol×（5-4）+0.20mol×（5-2）；
依据铁原子个数守恒可知：x+y=$\frac{22.4}{56}$；
解方程组：3x+2y=0.30mol×（5-4）+0.20mol×（5-2）；
          x+y=$\frac{22.4}{56}$；
得x=0.1mol，y=0.3mol；
所以最后溶液中含有硝酸铁，物质的量为0.1mol；含有硝酸亚铁，物质的量为0.3mol；
故答案为：Fe（NO₃）₂ 0.3mol、Fe（NO₃）₃0.1mol；
（4）①由题意可知：n（NO）：n（NO₂）=9：1，及总质量为3160mg，设设混合气体中含有xmolNO，ymolNO₂，
则：x：y=9：1；
30x+46y=3.16；
解得x=0.09；y=0.01；
与一氧化氮气体、二氧化氮混合气体反应，方程式为：NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O，
                                           1    1
                                         0.01mol 0.01mol
剩余NO物质的量为0.09mol-0.01mol=0.08mol，要想完全被吸收，则只需要用氧气氧化0.04molNO生成0.04mol二氧化氮，依据得失电子守恒得：0.04mol
×（4-2）=n（O₂）×4，解得n（O₂）=0.02mol，标况下体积为：0.02mol×22.4L/mol=0.448L，
而富氧空气中O₂的体积分数为0.25，所以需要富氧空气的体积为：0.448L÷0，25=1.792L；
故答案为：1.792L；
②由①知1m³硝酸工业的尾气中含3160mg NO_x，含有NO0.09mol，含有NO₂0.01mol，如果用氨催化还原法，即用氨作催化剂，将NO、NO₂转化为氮气直接排入空气中，设需要氨气的物质的量为：n（NH₃）则依据得失电子守恒可知：0.09mol×（2-0）+0.01mol×（4-0）=n（NH₃）×（0-（-3）），
解得n（NH₃）=$\frac{0.22}{3}$（mol）
其质量为：$\frac{0.22}{3}$mol×17g/mol=1.25g；
故答案为：1.25．

点评 本题考查了有关方程式的计算，明确方程式中各物质的物质的量的关系及物质的性质是解题关键，注意原子个数、得失电子数守恒规律的应用，题目难度较大．