Question

13．HNO₃是極其重要的化工原料．工業(yè)上制備HNO₃采用NH₃催化氧化法，將中間產(chǎn)生的NO₂在密閉容器中多次循環(huán)用水吸收制備的． 據(jù)此完成下列試題：
（1）假如氨制NO的產(chǎn)率是96%，NO制硝酸的產(chǎn)率是92%，氨被硝酸的吸收率為100%，則制備80噸 NH₄NO₃所需氨的體積（標(biāo)準(zhǔn)狀況）為47762m³（四舍五入保留整數(shù)部分）．
（2）工業(yè)上用水吸收二氧化氮生產(chǎn)硝酸，生成的氣體經(jīng)過(guò)多次氧化、吸收的循環(huán)操作使其充分轉(zhuǎn)化為硝酸（假定上述過(guò)程中無(wú)其它損失）．
①設(shè)循環(huán)操作的次數(shù)為n，NO₂→HNO₃轉(zhuǎn)化率與循環(huán)操作的次數(shù)n之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式為a=1-（$\frac{1}{3}$）ⁿ．
②一定量的二氧化氮?dú)怏w要經(jīng)過(guò)3次循環(huán)操作，才能使95%的二氧化氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛幔?br />（3）上述方法制備的HNO₃為稀HNO₃，將它用水稀釋或蒸餾、濃縮可制得不同濃度的HNO₃．實(shí)驗(yàn)證明：不同濃度的HNO₃與同一金屬反應(yīng)可生成不同的還原產(chǎn)物．例如，鎂與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得其氣相產(chǎn)物有H₂、N₂、NO、NO₂，液相產(chǎn)物有Mg（NO₃）₂，NH₄NO₃和H₂O．生成這些產(chǎn)物的HNO₃濃度范圍為：c（H₂）＜6.6mol/L、c（N₂）＜10mol/L、c（NH₄⁺）＜10mol/L、0.1mol/L＜c（NO）＜10mol/L、c（NO₂）＞0.1mol/L．各氣相產(chǎn)物成分及含量隨HNO₃濃度變化曲線如圖所示．
①寫出Mg與11mol/L的HNO₃反應(yīng)的化學(xué)方程式Mg+4HNO₃=Mg（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O．
②960 g Mg與1000L 4mol/L的HNO₃恰好完全反應(yīng)，常溫常壓下收集到244 L氣體，試通過(guò)計(jì)算寫出反應(yīng)方程式40Mg+100 HNO₃=5NO↑+3N₂↑+H₂↑+NO₂↑+4NH₄NO₃+40Mg（NO₃）₂+41H₂O．

Answer 1

分析 （1）整個(gè)過(guò)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(guān)系式NH₃～HNO₃，二是與硝酸反應(yīng)得到NH₄NO₃，由方程式可知實(shí)際利用的氨氣與硝酸物質(zhì)的量相等，二者質(zhì)量之比為17：63，結(jié)合硝酸銨的質(zhì)量計(jì)算生成硝酸銨反應(yīng)中實(shí)際參加反應(yīng)的氨氣、硝酸質(zhì)量，每一步利用率都轉(zhuǎn)化為起始原料利用率，計(jì)算與硝酸反應(yīng)得到NH₄NO₃時(shí)投入氨氣的質(zhì)量，根據(jù)關(guān)系式NH₃～HNO₃計(jì)算合成硝酸過(guò)程中氨氣的質(zhì)量，二者之和為需要氨氣總質(zhì)量；
（2）①設(shè)起始時(shí)NO₂物質(zhì)的量為1 mol，經(jīng)過(guò)n次循環(huán)后生成HNO₃的物質(zhì)的量為：Sn=$\frac{2}{3}$+$\frac{2}{3}$×$\frac{1}{3}$+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）²+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）³+??????+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）^n-1，經(jīng)等比數(shù)列求和可得，再根據(jù)轉(zhuǎn)化率公式求算出轉(zhuǎn)化率a與循環(huán)次數(shù)n之間關(guān)系；
②根據(jù)①中的表達(dá)式計(jì)算；
（3）①根據(jù)圖象可知當(dāng)硝酸濃度大于10.0mol/L時(shí)，氣體產(chǎn)物只有NO₂，根據(jù)得失電子守恒和原子守恒寫出方程式；
②960g Mg與1000L 4.0mol/L的HNO₃充分反應(yīng)，Mg的物質(zhì)的量比較少，反應(yīng)中硝酸過(guò)量，由圖象可知：n（NO）：n（N₂）：n（NO₂）：n（H₂）=5：3：1：1，同時(shí)還原產(chǎn)物還有NH₄⁺，根據(jù)Mg失去電子總數(shù)與氣體得到電子數(shù)之差，求出NH₄⁺的量，再通過(guò)原子守恒配平方程．

解答 解：（1）整個(gè)過(guò)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(guān)系式NH₃～HNO₃，二是與硝酸反應(yīng)得到NH₄NO₃，由方程式可知實(shí)際利用的氨氣與硝酸物質(zhì)的量相等，二者質(zhì)量之比為17：63，
生產(chǎn)80噸的硝酸銨時(shí)，參加反應(yīng)氨氣為80噸×$\frac{17}{80}$=17噸，需要硝酸為80噸-17噸=63噸，
設(shè)制備 63t HNO₃ 需要NH₃的質(zhì)量為m，則：
NH₃～～～～～～～～～～～～～～～HNO₃
17                            63
m×96%×92%                    63 t
所以17：63=m×96%×92%：63 t
解得m=$\frac{17}{0.96×0.92}$ t，
所以V（NH₃）=[（$\frac{17}{0.96×0.92}$+17）×10⁶÷17g/mol]×22.4L/mol=47.762×10⁶L=47762m³，
故答案為：47762；
（2）①設(shè)起始時(shí)NO₂物質(zhì)的量為1 mol，經(jīng)過(guò)n次循環(huán)后生成HNO₃的物質(zhì)的量為：Sn=$\frac{2}{3}$+$\frac{2}{3}$×$\frac{1}{3}$+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）²+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）³+??????+$\frac{2}{3}$×（$\frac{1}{3}$）^n-1，經(jīng)等比數(shù)列求和可得：Sn=1-（$\frac{1}{3}$）ⁿ，則NO₂生成HNO₃轉(zhuǎn)化率為：$\frac{1-（\frac{1}{3}）^{n}}{1}$=a，即a=1-（$\frac{1}{3}$）ⁿ；
故答案為：a=1-（$\frac{1}{3}$）ⁿ；
②n=1時(shí)，轉(zhuǎn)化率為66.7%
n=2時(shí)，轉(zhuǎn)化率為1-$\frac{1}{9}$=88.9%＜96%
n=3時(shí)，轉(zhuǎn)化率為1-$\frac{1}{27}$=96.3%＞96%
故經(jīng)過(guò)3次循環(huán)操作，才能使95%的二氧化氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛幔?br />故答案為：3；
（3）①根據(jù)圖象可知當(dāng)硝酸濃度大于10.0mol/L時(shí)，氣體產(chǎn)物只有NO₂，Mg+HNO₃→Mg（NO₃）₂+NO₂↑+H₂O，反應(yīng)中HNO₃→NO₂，N元素從+5價(jià)降到+4價(jià)得到1個(gè)電子，
Mg→Mg（NO₃）₂，Mg元素從0價(jià)升到+2價(jià)失去2個(gè)電子，所以Mg的計(jì)量數(shù)為1，NO₂的計(jì)量數(shù)為2，再根據(jù)原子守恒配平：Mg+4HNO₃=Mg（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O；
故答案為：Mg+4HNO₃=Mg（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O；
②960g  Mg與1000L 4mol/L的HNO₃充分反應(yīng)，Mg的物質(zhì)的量為40mol，HNO₃的物質(zhì)的量為4000mol，反應(yīng)中硝酸過(guò)量，
由圖象可知：n（NO）：n（N₂）：n（NO₂）：n（H₂）=5：3：1：1，同時(shí)還原產(chǎn)物還有NH₄⁺，
40 molMg失去電子為80 mol，反應(yīng)生成氣體n=$\frac{224L}{22.4L/mol}$=10mol，其中n（NO）=10mol×$\frac{5}{10}$=5mol，nn（N₂）=3mol，n（NO₂）=1mol，n（H₂）=1mol，則氣體得到電子數(shù)為5mol×3+3mol×5×2+1mol×1+1mol×2=48mol，
則生成NH₄⁺時(shí)N元素得到的電子為80mol-48mol=32，所以生成NH₄⁺的量為32×$\frac{1}{8}$=4mol，
所以n（NO）：n（N₂）：n（NO₂）：n（H₂）：n（NH₄⁺）：n（Mg）=5：3：1：1：4：40，
故反應(yīng)方程為：40Mg+100 HNO₃=5NO↑+3N₂↑+H₂↑+NO₂↑+4NH₄NO₃+40Mg（NO₃）₂+41H₂O；
故答案為：40Mg+100 HNO₃=5NO↑+3N₂↑+H₂↑+NO₂↑+4NH₄NO₃+40Mg（NO₃）₂+41H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)計(jì)算，題目計(jì)算量大、過(guò)程復(fù)雜，屬于易錯(cuò)題目，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，難度比較大．