Question

3．硝酸的工業(yè)制備包括氨的合成、氨的催化氧化及硝酸的濃縮等過程．
完成下列計算：
（1）采用甲烷的二次轉化法可以制備氫氣．
第一次轉化的化學方程式：CH₄+H₂O→CO+3H₂；
第二次轉化的化學方程式：2CO+CH₄+2O₂→3CO₂+2H₂；2CO+O₂→2CO₂．
現有標準狀況下1m³的甲烷，若第一次轉化80%，第二次轉化20%，經過二次完全轉化后可以得到H₂125mol．
（2）用飽和K₂CO₃溶液吸收上述混合氣體中的CO₂以得到純凈的氫氣．處理上述的CO₂至少需要飽和K₂CO₃溶液11761g．（已知：20℃K₂CO₃溶解度：110g/100g水）
（3）已知NH₃+2O₂→HNO₃+H₂O．現有氨氣1.7噸，不補充水，理論上可制得硝酸的濃度為77.78%；在該硝酸中加入4.5噸水最終可得50%的硝酸．
（4）工業(yè)上常用98%的濃H₂SO₄作為制取濃HNO₃的脫水劑．63.5%HNO₃（質量為M₁）中加98%的濃H₂SO₄（質量為M₂）后蒸餾．分別得到97.7%的HNO₃和49%的H₂SO₄溶液（不含HNO₃）．
①若蒸餾過程中HNO₃、H₂SO₄、H₂O均無損耗，求蒸餾前的投料比$\frac{{M}_{1}}{{M}_{2}}$的值（列式計算）．
②蒸餾過程中，若H₂O的損耗占總質量的5.0%，即有 （M₁+M₂）×5.0%的H₂O流失．則投料時，$\frac{{M}_{1}}{{M}_{2}}$比值如何變化，請列式計算說明．

Answer 1

分析 （1）第一步反應中參加反應甲烷為1m³×80%=0.8m³，根據方程式計算第一步反應生成氫氣體積，第二步參加反應甲烷為1m³×20%=0.2m³，根據方程式計算第二步反應生成氫氣體積，二者之和為生成氫氣總體積，再根據n=$\frac{V}{{V}_{m}}$計算；
（2）根據C元素守恒計算生成二氧化碳的物質的量，再根據K₂CO₃+CO₂=2KHCO₃計算需要K₂CO₃的質量，結合溶解度計算溶液質量；
（3）由方程式可知HNO₃、H₂O的物質的量之比為1：1，質量之比為63：18，進而計算所得硝酸溶液的質量分數，根據方程式計算生成HNO₃、水的質量，可得得到硝酸溶液質量，再根據稀釋中HNO₃質量不變計算稀釋后溶液質量，進而計算加入水的質量；
（4）①設蒸餾得到HNO₃溶液的質量為xg，蒸餾得到H₂SO₄溶液的質量為yg，根據溶質質量不變用M₁、M₂分別表示出x、y，結合M₁+M₂=x+y進行解答；
②結合①中表達式分析解答，由于H₂O流失5%，則此時（x+y）=（M₁+M₂）×95%．

解答 解：（1）第一步反應中參加反應甲烷為1m³×80%=0.8m³，由CH₄+H₂O→CO+3H₂可知，第一步反應生成氫氣體積為3×0.8m³=2.4m³，第二步參加反應甲烷為1m³×20%=0.2m³，由2CO+CH₄+2O₂→3CO₂+2H₂可知，第二步反應生成氫氣體積為2×0.2m³=0.4m³，故生成氫氣總體積為2.4m³+0.4m³=2.8m³，標況下得到氣體體積為$\frac{2800L}{22.4L/mol}$=125mol，
故答案為：125；
（2）根據C元素守恒，生成二氧化碳的物質的量為$\frac{1000L}{22.4L/mol}$=$\frac{1000}{22.4}$mol，由K₂CO₃+CO₂=2KHCO₃可知，需要K₂CO₃的質量為$\frac{1000}{22.4}$mol×138g/mol，需要飽和K₂CO₃溶液質量為：$\frac{1000}{22.4}$mol×138g/mol÷$\frac{110}{110+100}$=11761g，
故答案為：11761；
（3）由方程式可知HNO₃、H₂O的物質的量之比為1：1，質量之比為63：18，所得硝酸溶液的質量分數=$\frac{63g}{63g+18g}$×100%=77.78%，
   NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O
   17      63    18
1.7噸     6.3噸   1.8噸
稀釋可得50%的硝酸為$\frac{6.3噸}{50%}$=12.6噸，故需要加入水的質量為12.6噸-6.3噸-1.8噸=4.5噸，
故答案為：77.78；4.5；
（4）①解：設蒸餾得到HNO₃溶液的質量為xg，蒸餾得到H₂SO₄溶液的質量為yg
則x=$\frac{63.5%{M}_{1}}{97.7%}$，y=$\frac{98%{M}_{2}}{49%}$
因為M₁+M₂=x+y
所以$\frac{63.5%{M}_{1}}{97.7%}$+$\frac{98%{M}_{2}}{49%}$=M₁+M₂，
整理可得$\frac{{M}_{1}}{{M}_{2}}$=$\frac{20}{7}$，
答：$\frac{{M}_{1}}{{M}_{2}}$的值為$\frac{20}{7}$；
②所以$\frac{63.5%{M}_{1}}{97.7%}$+$\frac{98%{M}_{2}}{49%}$=（M₁+M₂）×95%，
整理可得$\frac{{M}_{1}}{{M}_{2}}$=$\frac{7}{2}$＞$\frac{20}{7}$，配料比應增大，
答：配料比應增大．

點評 本題考查化學計算，題目計算量大、過程復雜，屬于易錯題目，側重考查學生分析計算能力，難度較大．