Question

16．工业上用氨气与空气混合，通过“氨的催化氧化”等反应工业合成硝酸及其他产品．
（1）将NH₃与O₂在一定条件下充分反应后全部转化为硝酸溶液，则此硝酸溶液中溶质的质量分数为77.78%，若所得硝酸密度为ρg/cm³，则其物质的量浓度为12.35ρmol/L（保留两位小数）．
（2）某化肥厂以氨为原料制备 NH₄NO₃，已知由氨制 NO 的产率是 96%，NO 制硝酸的产率是 92%，氨被硝酸的吸收率为100%，则制备80吨 NH₄NO₃所需氨的体积（标准状况）为47435.29 m³（保留两位小数）．
（3）一定量的浓硝酸与铜反应生成NO、NO₂、N₂O₄混合气体．测出混合气体密度是同温同压下氢气的28倍．再将气体通过足量水充分吸收后，体积变为原来的2/3（相同条件下测定）．计算混合气体中NO₂的体积分数．
（4）合成氨原料气由CH₄在高温下与水蒸气、空气反应而得．反应原理如下：CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂  2CH₄+O₂+2H₂O→2CO₂+6H₂．将反应后的混合气中CO₂、H₂O （g）通过吸收和干燥除去后，只含N₂和H₂．为使进入合成氨反应塔两者体积比为1：3．计算起始气体中CH₄和空气的比例．（已知空气中O₂和N₂的体积比为1：4）．

Answer 1

分析 （1）由方程式4NH₃+5O₂═4NO+6H₂O，4NO+3O₂+2H₂O═4HNO₃分析解答；根据公式C=$\frac{1000ρw}{M}$来分析求解；
（2）根据方程式和关系式来计算氨气的物质的量，然后根据公式V=nVm来求解；
（3）对氢气的相对密度为28的混合气体，平均分子量为56，浓硝酸与足量的铜反应Cu+4HNO₃（浓）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O，3Cu+8HNO₃=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，NO₂分子量为46，NO分子量为30，所以，此时存在2NO₂?N₂O₄，即混合气体是：NO₂、N₂O₄、NO，设生成1mol混合气体，三者的物质的量分别为xmol、ymol、zmol，根据物质的量以及平均摩尔质量列式，结合气体通过水后，体积缩小了$\frac{1}{3}$计算xmol、ymol、zmol．相同条件下，体积百分含量等于物质的量分数；
（4）N₂和H₂进入合成氨反应塔两者体积比为1：3，可以设氮气的体积为4x，而氢气的体积为12x，则氧气的体积为x，根据方程式2CH₄+O₂+2H₂O→2CO₂+6H₂，x体积的氧气生成6x体积的氢气，消耗2x体积的CH₄，另外6x体积的氢气由CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂，消耗CH₄为：$\frac{3}{2}$体积，由此分析解答．

解答 解：（1）设氨气的物质的量为4xmol，则硝酸溶液中溶质的质量分数为：$\frac{4x×63}{4x×63+（6x-2x）×18}$=77.78%，C=$\frac{1000ρw}{M}$=$\frac{1000×ρ×0.778}{63}$=12.35ρmol/L，故答案为：77.78%；12.35ρmol/L；
（2）根据合成 NH₄NO₃ 的反应：NH₃+HNO₃=NH₄NO₃，合成80tNH₄NO₃时，需要用63tHNO₃ 吸收17t的 NH₃，设制备 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），故答案为：47435.29（m³）；
（3）浓硝酸与足量的铜反应Cu+4HNO₃（浓）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O，3Cu+8HNO₃=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，反应生成的气体NO₂分子量为46，NO分子量为30，得到对氢气的相对密度为28的混合气体，平均分子量为56，说明此时存在2NO₂?N₂O₄，即混合气体是：NO₂、N₂O₄、NO，设生成1mol混合气体，三者的物质的量分别为xmol、ymol、zmol，x+y+z=1mol①，平均相对分子质量为56，得46x+92y+30z=56②，气体通过水后，体积缩小了$\frac{1}{3}$，即最后气体体积为$\frac{2}{3}$，N₂O₄相当于2个NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，相当于NO₂和N₂O₄与水反应生成NO，3个NO₂生成1个NO，即：，$\frac{（x+2y）}{3}+z=\frac{2}{3}$③，联①②③解得：x=y=z=$\frac{1}{3}$mol，则混合气体中含NO₂的体积百分含量为$\frac{1}{3}$≈33.3%，答：混合气体中NO₂的体积分数为33.3%；
（4）N₂和H₂进入合成氨反应塔两者体积比为1：3，可以设氮气的体积为4x，而氢气的体积为12x，则氧气的体积为x，根据方程式2CH₄+O₂+2H₂O→2CO₂+6H₂，x体积的氧气生成6x体积的氢气，消耗2x体积的CH₄，另外6x体积的氢气由CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂，消耗CH₄为：$\frac{3}{2}$x体积，起始气体中CH₄和空气的比例为：（2x+$\frac{3}{2}$x）：5x=7：10，答：起始气体中CH₄和空气的比例为7：10．

点评 本题考查氮的化合物的计算，为高频考点，注意隐含条件2NO₂?N₂O₄为解答的关键，侧重考查学生的分析思维能力与解题方法技巧，题目难度中等．