Question

3．硝酸的工业制备包括氨的合成、氨的催化氧化及硝酸的浓缩等过程．
完成下列计算：
（1）采用甲烷的二次转化法可以制备氢气．
第一次转化的化学方程式：CH₄+H₂O→CO+3H₂；
第二次转化的化学方程式：2CO+CH₄+2O₂→3CO₂+2H₂；2CO+O₂→2CO₂．
现有标准状况下1m³的甲烷，若第一次转化80%，第二次转化20%，经过二次完全转化后可以得到H₂125mol．
（2）用饱和K₂CO₃溶液吸收上述混合气体中的CO₂以得到纯净的氢气．处理上述的CO₂至少需要饱和K₂CO₃溶液11761g．（已知：20℃K₂CO₃溶解度：110g/100g水）
（3）已知NH₃+2O₂→HNO₃+H₂O．现有氨气1.7吨，不补充水，理论上可制得硝酸的浓度为77.78%；在该硝酸中加入4.5吨水最终可得50%的硝酸．
（4）工业上常用98%的浓H₂SO₄作为制取浓HNO₃的脱水剂．63.5%HNO₃（质量为M₁）中加98%的浓H₂SO₄（质量为M₂）后蒸馏．分别得到97.7%的HNO₃和49%的H₂SO₄溶液（不含HNO₃）．
①若蒸馏过程中HNO₃、H₂SO₄、H₂O均无损耗，求蒸馏前的投料比$\frac{{M}_{1}}{{M}_{2}}$的值（列式计算）．
②蒸馏过程中，若H₂O的损耗占总质量的5.0%，即有 （M₁+M₂）×5.0%的H₂O流失．则投料时，$\frac{{M}_{1}}{{M}_{2}}$比值如何变化，请列式计算说明．

Answer 1

分析 （1）第一步反应中参加反应甲烷为1m³×80%=0.8m³，根据方程式计算第一步反应生成氢气体积，第二步参加反应甲烷为1m³×20%=0.2m³，根据方程式计算第二步反应生成氢气体积，二者之和为生成氢气总体积，再根据n=$\frac{V}{{V}_{m}}$计算；
（2）根据C元素守恒计算生成二氧化碳的物质的量，再根据K₂CO₃+CO₂=2KHCO₃计算需要K₂CO₃的质量，结合溶解度计算溶液质量；
（3）由方程式可知HNO₃、H₂O的物质的量之比为1：1，质量之比为63：18，进而计算所得硝酸溶液的质量分数，根据方程式计算生成HNO₃、水的质量，可得得到硝酸溶液质量，再根据稀释中HNO₃质量不变计算稀释后溶液质量，进而计算加入水的质量；
（4）①设蒸馏得到HNO₃溶液的质量为xg，蒸馏得到H₂SO₄溶液的质量为yg，根据溶质质量不变用M₁、M₂分别表示出x、y，结合M₁+M₂=x+y进行解答；
②结合①中表达式分析解答，由于H₂O流失5%，则此时（x+y）=（M₁+M₂）×95%．

解答 解：（1）第一步反应中参加反应甲烷为1m³×80%=0.8m³，由CH₄+H₂O→CO+3H₂可知，第一步反应生成氢气体积为3×0.8m³=2.4m³，第二步参加反应甲烷为1m³×20%=0.2m³，由2CO+CH₄+2O₂→3CO₂+2H₂可知，第二步反应生成氢气体积为2×0.2m³=0.4m³，故生成氢气总体积为2.4m³+0.4m³=2.8m³，标况下得到气体体积为$\frac{2800L}{22.4L/mol}$=125mol，
故答案为：125；
（2）根据C元素守恒，生成二氧化碳的物质的量为$\frac{1000L}{22.4L/mol}$=$\frac{1000}{22.4}$mol，由K₂CO₃+CO₂=2KHCO₃可知，需要K₂CO₃的质量为$\frac{1000}{22.4}$mol×138g/mol，需要饱和K₂CO₃溶液质量为：$\frac{1000}{22.4}$mol×138g/mol÷$\frac{110}{110+100}$=11761g，
故答案为：11761；
（3）由方程式可知HNO₃、H₂O的物质的量之比为1：1，质量之比为63：18，所得硝酸溶液的质量分数=$\frac{63g}{63g+18g}$×100%=77.78%，
   NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O
   17      63    18
1.7吨     6.3吨   1.8吨
稀释可得50%的硝酸为$\frac{6.3吨}{50%}$=12.6吨，故需要加入水的质量为12.6吨-6.3吨-1.8吨=4.5吨，
故答案为：77.78；4.5；
（4）①解：设蒸馏得到HNO₃溶液的质量为xg，蒸馏得到H₂SO₄溶液的质量为yg
则x=$\frac{63.5%{M}_{1}}{97.7%}$，y=$\frac{98%{M}_{2}}{49%}$
因为M₁+M₂=x+y
所以$\frac{63.5%{M}_{1}}{97.7%}$+$\frac{98%{M}_{2}}{49%}$=M₁+M₂，
整理可得$\frac{{M}_{1}}{{M}_{2}}$=$\frac{20}{7}$，
答：$\frac{{M}_{1}}{{M}_{2}}$的值为$\frac{20}{7}$；
②所以$\frac{63.5%{M}_{1}}{97.7%}$+$\frac{98%{M}_{2}}{49%}$=（M₁+M₂）×95%，
整理可得$\frac{{M}_{1}}{{M}_{2}}$=$\frac{7}{2}$＞$\frac{20}{7}$，配料比应增大，
答：配料比应增大．

点评 本题考查化学计算，题目计算量大、过程复杂，属于易错题目，侧重考查学生分析计算能力，难度较大．