Question

16．某化肥廠氨和空氣（設(shè)氧氣的體積分?jǐn)?shù)為0.2，空氣式量為29）生產(chǎn)硝酸銨過程如下：

其中①、②的反應(yīng)方程式為：4NH₃+5O₂--→4NO+6H₂O，4NO+3O₂+2H₂O→4HNO₃
（1）若原料氣的密度為1.25g/L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），則氨氣與空氣的體積比1：11．
（2）若生產(chǎn)硝酸的氨氣與空氣中的氧氣恰好完全反應(yīng)，且硝酸全部溶解反應(yīng)產(chǎn)生的水中，所得硝酸溶液的物質(zhì)的量濃度為17.02mol/L（保留2位小數(shù)，此時(shí)硝酸溶液的密度為1.38g/cm³）．
（3）若不考慮副反應(yīng)且各步反應(yīng)均完全，為使生產(chǎn)過程中不再補(bǔ)充空氣，則原料氣中氨氣（包含第③步被硝酸吸收的氨氣）的體積分?jǐn)?shù)最大值為16.67%．
（4）若實(shí)際生產(chǎn)中，反應(yīng)①的轉(zhuǎn)化率為94%，反應(yīng)②的轉(zhuǎn)化率為97%，反應(yīng)③中氨的轉(zhuǎn)化率為98%，硝酸完全轉(zhuǎn)化．求（寫出計(jì)算過程）：，
（i）100m³（已折算到標(biāo)準(zhǔn)狀況）氨氣最多可生產(chǎn)硝酸銨的質(zhì)量169（kg）．
（ii）合成硝酸銨的整個(gè)流程中，氨的總轉(zhuǎn)化率．

Answer 1

分析 （1）若原料氣的密度為1.25g/L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），則原料氣的平均相對(duì)摩爾質(zhì)量為1.25g/L×22.4L/mol=28g/mol，根據(jù)氨氣的摩爾質(zhì)量為17g/mol，空氣的摩爾質(zhì)量為29g/mol，利用平均值法可確定它們的體積比；
（2）若生產(chǎn)硝酸的氨氣與空氣中的氧氣恰好完全反應(yīng)，根據(jù)氧氣的物質(zhì)的量，利用反應(yīng)4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O和反應(yīng)4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，可確定反應(yīng)中生成的水的物質(zhì)的量，利用氮元素守恒可計(jì)算出生成硝酸的物質(zhì)的量，進(jìn)而確定所得硝酸溶液的物質(zhì)的量濃度；
（3）若不考慮副反應(yīng)且各步反應(yīng)均完全，生產(chǎn)過程中不再補(bǔ)充空氣，則可將反應(yīng)4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O和反應(yīng)4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃、NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ 合并得2NH₃+2O₂=NH₄NO₃+H₂O，據(jù)此可計(jì)算出氨氣和氧氣的理論體積比，空氣中氧氣占$\frac{1}{5}$，據(jù)此可計(jì)算出原料氣中氨氣的體積分?jǐn)?shù)；
（4）（i）假設(shè)100m³氨氣中有x用于制取HNO₃，（1-x）被HNO₃吸收，根據(jù)反應(yīng)NH₃+HNO₃→NH₄NO₃可計(jì)算x的值，進(jìn)而計(jì)算出100m³（已折算到標(biāo)準(zhǔn)狀況）氨氣最多可生產(chǎn)硝酸銨的質(zhì)量；
（ii）根據(jù)題中反應(yīng)中的系數(shù)可假設(shè)第①步參加反應(yīng)的氨為4mol，則生成硝酸的量：n（HNO₃）=4×0.94×0.97（mol），第③步需要氨的量：n（NH₃）=n（HNO₃）/0.98=（4×0.94×0.97）/0.98（mol），根據(jù)轉(zhuǎn)化率=$\frac{已轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量}{起始物質(zhì)的量}$×100%計(jì)算合成硝酸銨的整個(gè)流程中氨的總轉(zhuǎn)化率．

解答 解：（1）若原料氣的密度為1.25g/L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），則原料氣的平均相對(duì)摩爾質(zhì)量為1.25g/L×22.4L/mol=28g/mol，根據(jù)氨氣的摩爾質(zhì)量為17g/mol，空氣的摩爾質(zhì)量為29g/mol，設(shè)氨氣與空氣的體積比為x：y，則有$\frac{17x+29y}{x+y}$=28，所以x：y=1：11，
故答案為：1：11；
（2）若生產(chǎn)硝酸的氨氣與空氣中的氧氣恰好完全反應(yīng)，假設(shè)氨氣的物質(zhì)的量為4mol，則根據(jù)反應(yīng)4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O和反應(yīng)4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，可知反應(yīng)中生成的水的物質(zhì)的量為4mol，同時(shí)生成硝酸為4mol，所以所得硝酸溶液的質(zhì)量為4×18g+63×4g=324g，所以溶液的體積為$\frac{324g}{1.38g/c{m}^{3}}$=0.235L，則硝酸的物質(zhì)的量濃度為$\frac{4mol}{0.235L}$=17.02mol/L，
故答案為：17.02mol/L；
（3）若不考慮副反應(yīng)且各步反應(yīng)均完全，生產(chǎn)過程中不再補(bǔ)充空氣，則可將反應(yīng)4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O和反應(yīng)4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃、NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ 合并得2NH₃+2O₂=NH₄NO₃+H₂O，所以氨氣和氧氣的體積比為1：1，空氣中氧氣占$\frac{1}{5}$，則原料氣中氨氣的體積分?jǐn)?shù)為$\frac{1}{6}$×100%=16.67%，
故答案為：16.67%；
（4）（i）假設(shè)100m³氨氣中用于制取HNO₃的氨氣的分?jǐn)?shù)為x，則被HNO₃吸收的氨氣的分?jǐn)?shù)為（1-x），生成的硝酸銨為y，
   根據(jù)反應(yīng)NH₃+HNO₃→NH₄NO₃有100×10³×（1-x）×98%=100×10³×x×94%×97%，所以x=0.52，則y=169334（g）=169（kg），
故答案為：169；
（ii）根據(jù)題中反應(yīng)中的系數(shù)可假設(shè)第①步參加反應(yīng)的氨為4mol，則氨氣的起始的物質(zhì)的量為4mol+（4×0.94×0.97）/0.98mol，則生成硝酸的量：n（HNO₃）=4×0.94×0.97（mol），第③步需要氨的量：n（NH₃）=n（HNO₃）/0.98=（4×0.94×0.97）/0.98（mol），所以氨的轉(zhuǎn)化率=$\frac{已轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量}{起始物質(zhì)的量}$×100%=$\frac{4mol+4×0.94×0.97mol}{4mol+（4×0.94×0.97）/0.98mol}$×100%=94.47%，
答：氨的轉(zhuǎn)化率為94.47%．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了以硝酸的工業(yè)制備流程背景下的化學(xué)計(jì)算，關(guān)鍵是依據(jù)各生產(chǎn)原料和產(chǎn)物間的關(guān)系，將方程式當(dāng)作代數(shù)式進(jìn)行相應(yīng)的消元，構(gòu)建目標(biāo)物質(zhì)的關(guān)系，題目難度中等．