Question

硝酸的工业制备包括氨的合成、氨的催化氧化及硝酸的浓缩等过程．完成下列计算：

（1）采用甲烷的二次转化法可以制备氢气．

第一次转化的化学方程式：CH₄+H₂O→CO+3H₂；

第二次转化的化学方程式：2CO+CH₄+2O₂→3CO₂+2H₂；2CO+O₂→2CO₂．

现有标准状况下1m³的甲烷，若第一次转化80%，第二次转化20%，经过二次完全转化后可以得到H₂__mol．

（2）用饱和K₂CO₃溶液吸收上述混合气体中的CO₂以得到纯净的氢气．处理上述的CO₂至少需要饱和K₂CO₃溶液____g．（已知：20℃K₂CO₃溶解度：110g/100g水）

（3）已知NH₃+2O₂→HNO₃+H₂O．现有氨气1.7吨，不补充水，理论上可制得硝酸的浓度为___%；在该硝酸中加入__吨水最终可得50%的硝酸．

（4）工业上常用98%的浓H₂SO₄作为制取浓HNO₃的脱水剂．63.5%HNO₃（质量为M₁）中加98%的浓H₂SO₄（质量为M₂）后蒸馏．分别得到97.7%的HNO₃和49%的H₂SO₄溶液（不含HNO₃）．

①若蒸馏过程中HNO₃、H₂SO₄、H₂O均无损耗，求蒸馏前的投料比的值__（列式计算）．

②蒸馏过程中，若H₂O的损耗占总质量的5.0%，即有（M₁+M₂）×5.0%的H₂O流失．则投料时，比值如何变化，请列式计算说明__．

Answer

125 11761 77.78 4.5 配料比应增大．

【解析】

(1)第一步反应中参加反应甲烷为1m3×80%＝0.8m3，根据方程式计算第一步反应生成氢气体积，第二步参加反应甲烷为1m3×20%＝0.2m3，根据方程式计算第二步反应生成氢气体积，二者之和为生成氢气总体积，再根据n＝计算；

(2)根据C元素守恒计算生成二氧化碳的物质的量，再根据K2CO3+CO2＝2KHCO3计算需要K2CO3的质量，结合溶解度计算溶液质量；

(3)由方程式可知HNO3、H2O的物质的量之比为1：1，质量之比为63：18，进而计算所得硝酸溶液的质量分数，根据方程式计算生成HNO3、水的质量，可得到硝酸溶液质量，再根据稀释中HNO3质量不变计算稀释后溶液质量，进而计算加入水的质量；

(4)①设蒸馏得到HNO3溶液的质量为xg，蒸馏得到H2SO4溶液的质量为yg，根据溶质质量不变用M1、M2分别表示出x、y，结合M1+M2＝x+y进行解答；

②结合①中表达式分析解答，由于H2O流失5%，则此时(x+y)＝(M1+M2)×95%。

(1)第一步反应中参加反应甲烷为1m3×80%＝0.8m3，由CH4+H2O→CO+3H2可知，第一步反应生成氢气体积为3×0.8m3＝2.4m3，第二步参加反应甲烷为1m3×20%＝0.2m3，由2CO+CH4+2O2→3CO2+2H2可知，第二步反应生成氢气体积为2×0.2m3＝0.4m3，故生成氢气总体积为2.4m3+0.4m3＝2.8m3，标况下得到气体物质的量为＝125mol；

(2)根据C元素守恒，生成二氧化碳的物质的量为＝mol，由K2CO3+CO2＝2KHCO3可知，需要K2CO3的质量为mol×138g/mol，需要饱和K2CO3溶液质量为：mol×138g/mol÷＝11761g；

(3)由方程式可知HNO3、H2O的物质的量之比为1：1，质量之比为63：18，所得硝酸溶液的质量分数＝×100%＝77.78%，

稀释可得50%的硝酸为＝12.6吨，故需要加入水的质量为12.6吨﹣6.3吨﹣1.8吨＝4.5吨；

(4)①【解析】
设蒸馏得到HNO3溶液的质量为xg，蒸馏得到H2SO4溶液的质量为yg，则x＝，y＝，因为M1+M2＝x+y，所以＝M1+M2，整理可得＝；

②所以＝(M1+M2)×95%，整理可得＝＞，配料比应增大。