Question

【題目】硝酸的工業制備包括氨的合成、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H2__mol．

（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____g．（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___%；在該硝酸中加入__噸水最終可得50%的硝酸．

（4）工業上常用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，比值如何變化，請列式計算說明__．

Answer 1

【答案】125 11761 77.78 4.5 配料比應增大．

【解析】

(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＝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%。

(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，標況下得到氣體物質的量為＝125mol；

(2)根據C元素守恒，生成二氧化碳的物質的量為＝mol，由K2CO3+CO2＝2KHCO3可知，需要K2CO3的質量為mol×138g/mol，需要飽和K2CO3溶液質量為：mol×138g/mol÷＝11761g；

(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＝×100%＝77.78%，

稀釋可得50%的硝酸為＝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；

(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＝，y＝，因為M1+M2＝x+y，所以＝M1+M2，整理可得＝；

②所以＝(M1+M2)×95%，整理可得＝＞，配料比應增大。