Question

硝酸是重要的化工原料，工业上用氨催化氧化法生产硝酸，反应如下：

①氧化炉：4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O

②吸收塔：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃

设空气中氧气的体积分数为0.20，氮气体积分数为0.80。完成下列计算：

(1)1mol NH₃完全转化为NO至少需要空气______mol。工业上先将氨气和空气混合好，在氧化炉反应后直接通入吸收塔中用冷水吸收，为了确保吸收效果，第②步反应要求氧气至少过量20%，计算起始时空气与氨气的体积比至少为______

(2)硝酸工业产生的氮氧化物尾气(NO和NO₂)，可用烧碱吸收，反应如下：

①NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O

②2NO₂+2NaOH=NaNO₃+NaNO₂+H₂O

现有含0.5mol氮氧化物的尾气，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溶液的体积为______mL。若将尾气中NO与NO₂的平均组成记为NO_x，则x=______

(3)工业上用硝酸与氨气反应制取硝酸铵：HNO₃+NH₃=NH₄NO₃，反应时NH₃的吸收率为97%，硝酸的利用率为98%。在用氨气制取硝酸时，氨气的利用率为90%。计算生产80吨的硝酸铵共需氨气__吨？(保留1位小数)

Answer

6.25 10.75 125 1.7 36.8

【解析】

(1)由4NH3+5O2→4NO+6H2O，可知1mol NH3完全转化为NO需要氧气物质的量为1mol×=1.25mol，空气中氧气含量为0.2，需要空气最少物质的量为1.25mol÷0.2=6.25mol；
由N原子守恒可知1mol氨气得到NO为1mol，由4NO+3O2+2H2O→4HNO3可知，第二步反应中消耗氧气为1mol×=0.75mol，则第一步反应后剩余氧气物质的量0.75mol×(1+20%)=0.9mol，故需要氧气总体积为(1.25mol+0.9mol)=2.15mol，故需要空气物质的量为2.15mol÷0.2=10.75mol，则起始时空气与氨气的体积比至少为10.75mol：1mol=10.75；
(2)反应后溶液中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，则n余(NaOH)=5n(NaNO3)=0.5mol，根据钠离子守恒可知n总(NaOH)=n余(NaOH)+n(NaNO3)+n(NaNO2)=0.5mol+0.1mol+0.4mol=1mol，故NaOH溶液体积为=0.125L，即为125mL；

根据方程式2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O可知生成0.1mol NaNO3需要0.2mol NO2，同时产生0.1mol NaNO2，根据方程式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为0.15mol，NO2为0.35mol，
则混合物中N、O原子数目之比为0.5mol：(0.15mol+0.35mol×2)=1：1.7，则x=1.7；
(3)整个过程中氨气有2部分作用，一是制备硝酸，由N元素守恒可得关系式NH3～HNO3，二是与硝酸反应得到NH4NO3，由方程式可知实际利用的氨气与硝酸物质的量相等，二者质量之比为17：63，
生产80吨的硝酸铵时，参加反应氨气为80吨×=17吨，需要硝酸为80吨-17吨=63吨，
合成NH4NO3时NH3的吸收率为97%，故投入的氨气17吨÷97%=17.53吨，
设合成硝酸需要氨气为m，则：

所以17：63=m×90%×98%：63吨，解得m=19.27吨，故需要氨气总质量为17.53吨+19.27吨=36.8吨。