Question

7．氨氣是化學工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛的物質(zhì)．侯氏制堿法的第一步反應(yīng)是向飽和氨化鹽水中通入二氧化碳．現(xiàn)在45℃時，取117g食鹽配制成飽和溶液，向其中通入適量氨氣后，再向其中通入二氧化碳，使反應(yīng)進行完全．試計算并回答下列問題（計算結(jié)果取三位有效數(shù)字）（有關(guān)物質(zhì)的溶解度數(shù)據(jù)如表，單位：g/100g水）．

1	NaCl	NaHCO3	NH4Cl
10℃	35.8	8.15	33.0
45℃	37.0	14.0	50.0

（1）117g食鹽理論上可以制取純堿106g；45℃反應(yīng)完畢后，有晶體析出；溶液中剩余水280g，析出晶體的質(zhì)量129g；過濾除去析出的晶體后再降溫至10℃，又有晶體析出，則所析出晶體的質(zhì)量共30.8克．
工業(yè)制硝酸也是氨氣重要用途之一，反應(yīng)如下：
4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O       2NO+O₂→2NO₂      3NO₂+H₂O→2HNO₃+NO
設(shè)空氣中氧氣的體積分數(shù)為0.20，氮氣的體積分數(shù)為0.80．
（2）a mol NO完全轉(zhuǎn)化為HNO₃理論上需要氧氣0.75amol；為使NH₃恰好完全氧化為NO，氨-空氣混合氣體中氨的體積分數(shù)（用小數(shù)表示）為0.14．
（3）20.0mol NH₃用空氣氧化，產(chǎn)生混合物的組成為：NO 18.0mol、O₂ 12.0mol、N₂ 150.0mol和一定量硝酸，以及其他成分（高溫下NO與O₂不化合）．計算氨轉(zhuǎn)化為HNO₃的轉(zhuǎn)化率．
（寫出簡要計算過程）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)反應(yīng)的方程式NaCl+NH₃+CO₂+H₂O=NaHCO₃+NH₄Cl，2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O計算生成Na₂CO₃的質(zhì)量；根據(jù)溶解度計算出需要的水的質(zhì)量，減去反應(yīng)的水的質(zhì)量，最終計算出剩余水的質(zhì)量；根據(jù)反應(yīng)的方程式計算生成NaHCO₃的質(zhì)量，結(jié)合溶解度計算析出晶體的質(zhì)量；根據(jù)水的質(zhì)量，結(jié)合各物質(zhì)的溶解度判斷析出晶體并計算質(zhì)量；
（2）根據(jù)一氧化氮和氧氣完全轉(zhuǎn)化為HNO₃的關(guān)系式計算；使NH₃恰好完全氧化為NO，根據(jù)氨氣計算需要氧氣的量，再根據(jù)體積分數(shù)公式進行計算；
（3）根據(jù)反應(yīng)過程中氮氣的量不變進行計算，算出生成硝酸的物質(zhì)的量，再根據(jù)原子守恒計算轉(zhuǎn)化率．

解答 解：（1）117g食鹽的物質(zhì)的量為n（NaCl）=$\frac{117g}{58.5g/mol}$=2mol，
則  NaCl+NH₃+CO₂+H₂O=NaHCO₃+NH₄Cl
     1          1      1
    2mol    2mol    2mol
2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O
2                                   1
2mol                           1mol
n（Na₂CO₃）=1mol，m（Na₂CO₃）=1mol×106g/mol=106g，
取117g食鹽配制成飽和溶液，需要水的質(zhì)量為：$\frac{117g×100}{37.0}$=316g，用掉水的質(zhì)量為2mol×18g/mol=36g，溶液中剩余水的質(zhì)量為：316g-36g=280g，
m（NaHCO₃）=2mol×84g/mol=168g，此時，溶液中水的質(zhì)量為280g，溶解NaHCO₃的質(zhì)量為$\frac{280}{100}$×14g≈39.0g，所以析出的質(zhì)量為168g-39g=129g，
水的質(zhì)量為280g，則過濾除去晶體后再降溫至10℃，溶解NaHCO₃的質(zhì)量為8.15g×$\frac{280}{100}$=22.8g，析出NaHCO₃的質(zhì)量為39.0-22.8=16.2g，
生成的NH₄Cl質(zhì)量為2mol×53.5g/mol=107g，溶液溶解的NH₄Cl質(zhì)量為33.0g×$\frac{280}{100}$=92.4g，析出的NH₄Cl質(zhì)量為107g-92.4g=14.6g，
所以析出的物質(zhì)的為NH₄Cl和NaHCO₃，總質(zhì)量為16.2g+14.6g=30.8g，
故答案為：106；280；129；30.8；
（2）設(shè)需要氧氣的物質(zhì)的量為x，
4NO+2H₂O+3O₂=4HNO₃
4mol          3mol
amol            x
x=$\frac{3a}{4}$mol=0.75amol，則需要氧氣的物質(zhì)的量為0.75a mol，
根據(jù)氨氣被氧氣恰好完全氧化為NO的方程式，可假設(shè)氨氣的體積是4L，設(shè)需要空氣的體積為y，
4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O
4          5
4L      0.20y
y=$\frac{4×5}{4×0.20}$L=25L，氨-空氣混合物中氨的體積分數(shù)=$\frac{4L}{4L+25L}$≈0.14，
故答案為：0.75a；0.14；
（3）設(shè)生成x mol HNO₃，空氣中氧氣的體積分數(shù)為0.20，氮氣的體積分數(shù)為0.80，空氣中氮氣的量是氧氣的4倍，4（2x+18.0×$\frac{5}{4}$+12.0）=150.0，解得：x=1.5（mol），根據(jù)氮原子守恒，NH₃的轉(zhuǎn)化為HNO₃的轉(zhuǎn)化率=$\frac{1.5mol}{20.0mol}$×100%=7.5%，
故答案為：7.5%．

點評 本題考查純堿的制備和計算、氧化還原反應(yīng)的計算，難點是計算轉(zhuǎn)化率，明確氮氣和氧氣的關(guān)系是解答關(guān)鍵，題目難度中等，注意有關(guān)溶解度計算的方法．