Question

【題目】硝酸是重要的化工原料，工業上用氨催化氧化法生產硝酸，反應如下：

①氧化爐：4NH3+5O2=4NO+6H2O

②吸收塔：4NO+3O2+2H2O=4HNO3

設空氣中氧氣的體積分數為0.20，氮氣體積分數為0.80。完成下列計算：

(1)1mol NH3完全轉化為NO至少需要空氣______mol。工業上先將氨氣和空氣混合好，在氧化爐反應后直接通入吸收塔中用冷水吸收，為了確保吸收效果，第②步反應要求氧氣至少過量20%，計算起始時空氣與氨氣的體積比至少為______

(2)硝酸工業產生的氮氧化物尾氣(NO和NO2)，可用燒堿吸收，反應如下：

①NO+NO2+2NaOH=2NaNO2+H2O

②2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O

現有含0.5mol氮氧化物的尾氣，用8mol/L的NaOH溶液完全吸收，吸收后的溶液中c(OH﹣):c(NO2﹣)：c(NO3﹣)=5:4:1。所用NaOH溶液的體積為______mL。若將尾氣中NO與NO2的平均組成記為NOx，則x=______

(3)工業上用硝酸與氨氣反應制取硝酸銨：HNO3+NH3=NH4NO3，反應時NH3的吸收率為97%，硝酸的利用率為98%。在用氨氣制取硝酸時，氨氣的利用率為90%。計算生產80噸的硝酸銨共需氨氣__噸？(保留1位小數)

Answer 1

【答案】6.25 10.75 125 1.7 36.8

【解析】

(1)由4NH3+5O2→4NO+6H2O，可知1mol NH3完全轉化為NO需要氧氣物質的量為1mol×=1.25mol，空氣中氧氣含量為0.2，需要空氣最少物質的量為1.25mol÷0.2=6.25mol；
由N原子守恒可知1mol氨氣得到NO為1mol，由4NO+3O2+2H2O→4HNO3可知，第二步反應中消耗氧氣為1mol×=0.75mol，則第一步反應后剩余氧氣物質的量0.75mol×(1+20%)=0.9mol，故需要氧氣總體積為(1.25mol+0.9mol)=2.15mol，故需要空氣物質的量為2.15mol÷0.2=10.75mol，則起始時空氣與氨氣的體積比至少為10.75mol：1mol=10.75；
(2)反應后溶液中c(OH-)：c(NO2-)：c(NO3-)=5：4：1，由N原子守恒可知，n(NaNO2)=0.5mol×=0.4mol、n(NaNO3)=0.5mol×=0.1mol，則n余(NaOH)=5n(NaNO3)=0.5mol，根據鈉離子守恒可知n總(NaOH)=n余(NaOH)+n(NaNO3)+n(NaNO2)=0.5mol+0.1mol+0.4mol=1mol，故NaOH溶液體積為=0.125L，即為125mL；

根據方程式2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O可知生成0.1mol NaNO3需要0.2mol NO2，同時產生0.1mol NaNO2，根據方程式NO+NO2+2NaOH=2NaNO2+H2O可知生成0.4mol-0.1mol=0.3mol NaNO2需要0.15molNO和0.15mol NO2，故NO為0.15mol，NO2為0.35mol，
則混合物中N、O原子數目之比為0.5mol：(0.15mol+0.35mol×2)=1：1.7，則x=1.7；
(3)整個過程中氨氣有2部分作用，一是制備硝酸，由N元素守恒可得關系式NH3～HNO3，二是與硝酸反應得到NH4NO3，由方程式可知實際利用的氨氣與硝酸物質的量相等，二者質量之比為17：63，
生產80噸的硝酸銨時，參加反應氨氣為80噸×=17噸，需要硝酸為80噸-17噸=63噸，
合成NH4NO3時NH3的吸收率為97%，故投入的氨氣17噸÷97%=17.53噸，
設合成硝酸需要氨氣為m，則：

所以17：63=m×90%×98%：63噸，解得m=19.27噸，故需要氨氣總質量為17.53噸+19.27噸=36.8噸。