Question

12．硝酸在有機合成、醫(yī)藥化工、化纖等行業(yè)應(yīng)用非常廣泛．工業(yè)上用氨催化氧化法可生產(chǎn)硝酸，其生產(chǎn)過程可表示為：
4NH₃+5O₂$\stackrel{催化劑、△}{→}$4NO+6H₂O①
4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃②
完成下列計算：
（1）如果以一定量的氨氣在一密閉容器中與足量氧氣發(fā)生上述反應(yīng)，冷卻后所得溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)是0.78．（保留2位小數(shù)，下同．）
（2）現(xiàn)以1.70噸液氨為原料生產(chǎn)硝酸，然后加入4.50噸水，得到密度為1.31g/cm³的硝酸，該硝酸的物質(zhì)的量濃度是10.40mol/L．（假設(shè)生產(chǎn)過程中反應(yīng)物和生成物均無損耗）
（3）把22.40g鐵完全溶解于某濃度的硝酸中，反應(yīng)只收集到 0.30mol NO₂和0.20mol NO．通過計算推斷反應(yīng)后溶液中溶質(zhì)的成分及其物質(zhì)的量．（寫出計算過程）
（4）硝酸工業(yè)尾氣中的NO、NO₂屬于大氣的主要污染物．已知1m³硝酸工業(yè)的尾氣中含3160mg NO_x，其中n（NO）：n（NO₂）=9：1．
①如果用NaOH溶液完全吸收NO_x，至少需要補充標準狀況下的富氧空氣多少升？（富氧空氣中O₂的體積分數(shù)為0.25）（寫出計算過程）
②如果用氨催化還原法，即用氨作催化劑，將NO、NO₂轉(zhuǎn)化為氮氣直接排入空氣中，需要氨氣的質(zhì)量為多少克？（寫出計算過程）

Answer 1

分析 （1）4NH₃+5O₂$\stackrel{催化劑、△}{→}$4NO+6H₂O①與4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃②相加得到4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，據(jù)此計算硝酸的質(zhì)量分數(shù)；
（2）質(zhì)量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的量，依據(jù)NH₃～HNO₃，計算硝酸的物質(zhì)的量，依據(jù)V=$\frac{m}{V}$計算硝酸溶液的密度，依據(jù)公式C=$\frac{n}{V}$計算硝酸的物質(zhì)的量濃度；
（3）鐵與濃硝酸反應(yīng)生成二氧化氮，與稀硝酸反應(yīng)生成一氧化氮，當硝酸足量時，反應(yīng)只生成硝酸鐵，硝酸不足量時生成硝酸亞鐵，依據(jù)生成的一氧化氮、二氧化氮的物質(zhì)的量，消耗鐵的物質(zhì)的量，利用原子個數(shù)守恒、得失電子數(shù)守恒計算解答；
（4）①設(shè)混合氣體中含有xmolNO，ymolNO₂，依據(jù)題干條件n（NO）：n（NO₂）=9：1，及總質(zhì)量為3160mg，計算兩種氣體的物質(zhì)的量，
氫氧化鈉與一氧化氮氣體、二氧化氮混合氣體反應(yīng)，方程式為：NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O，反應(yīng)后剩余氣體為一氧化氮，將剩余其一般氧化為二氧化氮，依據(jù)得失電子守恒計算氧化一氧化氮用的氧氣的體積，依據(jù)富氧空氣中氧氣的含量計算需要富氧空氣的體積；
②依據(jù)得失電子守恒可知NO、NO2中氮原子變?yōu)榈獨庵?價的N 得到電子總數(shù)等于NH3中-3價的N變?yōu)榈獨庵?價的N失去電子總數(shù)，據(jù)此解答．

解答 解：（1）4NH₃+5O₂$\stackrel{催化劑、△}{→}$4NO+6H₂O①與4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃②相加得到4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，所以硝酸的質(zhì)量分數(shù)為：$\frac{4×63}{4×63+4×18}$=0.78；
故答案為：0.78；
（2）1.70噸液氨的物質(zhì)的量為：$\frac{1.7×1{0}^{6}}{17}$=0.1×10⁶mol，依據(jù)轉(zhuǎn)化關(guān)系4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，可知生成的硝酸的物質(zhì)的量為0.1×10⁶mol；消耗氧氣的物質(zhì)的量為：0.2×10⁶mol；依據(jù)方程式4NH₃+8O₂=4HNO₃+4H₂O，可知硝酸溶液的質(zhì)量=液氨的質(zhì)量+水的質(zhì)量+消耗氧氣的質(zhì)量=1.70×10⁶+4.50×10⁶+×32×0.2×10⁶=12.6×10⁶（g）
該硝酸溶液的體積V=$\frac{m}{ρ}$=$\frac{12.6×1{0}^{6}}{1.31×1{0}^{3}}$=9.62×10³（L），則C（HNO₃）=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.1×1{0}^{6}}{9.62×1{0}^{3}}$=10.40（mol/L）；
故答案為：10.40；
（3）鐵與濃硝酸反應(yīng)生成二氧化氮，與稀硝酸反應(yīng)生成一氧化氮，當硝酸足量時，反應(yīng)只生成硝酸鐵，硝酸不足量時生成硝酸亞鐵，設(shè)最后溶液中含有硝酸鐵物質(zhì)的量為xmol，硝酸亞鐵的物質(zhì)的量為ymol，
則已經(jīng)得失電子守恒可知鐵生成三價鐵和二價鐵離子失去電子總數(shù)等于硝酸還原為二氧化氮和一氧化氮得到電子總數(shù)即：3x+2y=0.30mol×（5-4）+0.20mol×（5-2）；
依據(jù)鐵原子個數(shù)守恒可知：x+y=$\frac{22.4}{56}$；
解方程組：3x+2y=0.30mol×（5-4）+0.20mol×（5-2）；
          x+y=$\frac{22.4}{56}$；
得x=0.1mol，y=0.3mol；
所以最后溶液中含有硝酸鐵，物質(zhì)的量為0.1mol；含有硝酸亞鐵，物質(zhì)的量為0.3mol；
故答案為：Fe（NO₃）₂ 0.3mol、Fe（NO₃）₃0.1mol；
（4）①由題意可知：n（NO）：n（NO₂）=9：1，及總質(zhì)量為3160mg，設(shè)設(shè)混合氣體中含有xmolNO，ymolNO₂，
則：x：y=9：1；
30x+46y=3.16；
解得x=0.09；y=0.01；
與一氧化氮氣體、二氧化氮混合氣體反應(yīng)，方程式為：NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O，
                                           1    1
                                         0.01mol 0.01mol
剩余NO物質(zhì)的量為0.09mol-0.01mol=0.08mol，要想完全被吸收，則只需要用氧氣氧化0.04molNO生成0.04mol二氧化氮，依據(jù)得失電子守恒得：0.04mol
×（4-2）=n（O₂）×4，解得n（O₂）=0.02mol，標況下體積為：0.02mol×22.4L/mol=0.448L，
而富氧空氣中O₂的體積分數(shù)為0.25，所以需要富氧空氣的體積為：0.448L÷0，25=1.792L；
故答案為：1.792L；
②由①知1m³硝酸工業(yè)的尾氣中含3160mg NO_x，含有NO0.09mol，含有NO₂0.01mol，如果用氨催化還原法，即用氨作催化劑，將NO、NO₂轉(zhuǎn)化為氮氣直接排入空氣中，設(shè)需要氨氣的物質(zhì)的量為：n（NH₃）則依據(jù)得失電子守恒可知：0.09mol×（2-0）+0.01mol×（4-0）=n（NH₃）×（0-（-3）），
解得n（NH₃）=$\frac{0.22}{3}$（mol）
其質(zhì)量為：$\frac{0.22}{3}$mol×17g/mol=1.25g；
故答案為：1.25．

點評 本題考查了有關(guān)方程式的計算，明確方程式中各物質(zhì)的物質(zhì)的量的關(guān)系及物質(zhì)的性質(zhì)是解題關(guān)鍵，注意原子個數(shù)、得失電子數(shù)守恒規(guī)律的應(yīng)用，題目難度較大．