化学
HNO3是极其重要的化工原料．工业上制备HNO3采用NH3催化氧化法，将中间产生的NO2在密闭容器中多次循环用水吸收制备的． 据此完成下列试题： （1）假如氨制NO的产率是96%，NO制硝酸的产率是92%，氨被硝酸的吸收率为100%，则制备80吨 NH4NO3所需氨的体积（标准状况）为m3（四舍五入保留整数部分）．（2）工业上用水吸收二氧化氮生产硝酸，生成的气体经过多次氧化、吸收的循环操作使其充分转化为硝酸（假定上述过程中无其它损失）．①设循环操作的次数为n，NO2→HNO3转化率与循

2019-04-03

HNO3是极其重要的化工原料．工业上制备HNO3采用NH3催化氧化法，将中间产生的NO2在密闭容器中多次循环用水吸收制备的． 据此完成下列试题：
作业帮
（1）假如氨制NO的产率是96%，NO制硝酸的产率是92%，氨被硝酸的吸收率为100%，则制备80吨 NH4NO3所需氨的体积（标准状况）为___m3（四舍五入保留整数部分）．
（2）工业上用水吸收二氧化氮生产硝酸，生成的气体经过多次氧化、吸收的循环操作使其充分转化为硝酸（假定上述过程中无其它损失）．
①设循环操作的次数为n，NO2→HNO3转化率与循环操作的次数n之间关系的数学表达式为___．
②一定量的二氧化氮气体要经过___次循环操作，才能使95%的二氧化氮转变为硝酸．
（3）上述方法制备的HNO3为稀HNO3，将它用水稀释或蒸馏、浓缩可制得不同浓度的HNO3．实验证明：不同浓度的HNO3与同一金属反应可生成不同的还原产物．例如，镁与硝酸反应实验中，测得其气相产物有H2、N2、NO、NO2，液相产物有Mg（NO3）2，NH4NO3和H2O．生成这些产物的HNO3浓度范围为：c（H2）<6.6mol/L、c（N2）<10mol/L、c（NH4+）<10mol/L、0.1mol/L<c（NO）<10mol/L、c（NO2）>0.1mol/L．各气相产物成分及含量随HNO3浓度变化曲线如图所示．
①写出Mg与11mol/L的HNO3反应的化学方程式___．
②960 g Mg与1000L 4mol/L的HNO3恰好完全反应，常温常压下收集到244 L气体，试通过计算写出反应方程式___．
优质解答
（1）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
80
=17吨，需要硝酸为80吨-17吨=63吨，
设制备 63t HNO3 需要NH3的质量为m，则：
NH3～～～～～～～～～～～～～～～HNO3
17                            63
m×96%×92%                    63 t
所以17：63=m×96%×92%：63 t
解得m=
17
0.96×0.92
 t，
所以V（NH3）=[（
17
0.96×0.92
+17）×106÷17g/mol]×22.4L/mol=47.762×106L=47762m3，
故答案为：47762；
（2）①设起始时NO2物质的量为1 mol，经过n次循环后生成HNO3的物质的量为：Sn=
2
3
+
2
3
×
1
3
+
2
3
×（
1
3
）2+
2
3
×（
1
3
）3+・・・・・・+
2
3
×（
1
3
）n-1，经等比数列求和可得：Sn=1-（
1
3
）n，则NO2生成HNO3转化率为：
1-(
1
3
)n
1
=a，即a=1-（
1
3
）n；
故答案为：a=1-（
1
3
）n；
②n=1时，转化率为66.7%
n=2时，转化率为1-
1
9
=88.9%<96%
n=3时，转化率为1-
1
27
=96.3%>96%
故经过3次循环操作，才能使95%的二氧化氮转变为硝酸，
故答案为：3；
（3）①根据图象可知当硝酸浓度大于10.0mol/L时，气体产物只有NO2，Mg+HNO3→Mg（NO3）2+NO2↑+H2O，反应中HNO3→NO2，N元素从+5价降到+4价得到1个电子，
Mg→Mg（NO3）2，Mg元素从0价升到+2价失去2个电子，所以Mg的计量数为1，NO2的计量数为2，再根据原子守恒配平：Mg+4HNO3=Mg（NO3）2+2NO2↑+2H2O；
故答案为：Mg+4HNO3=Mg（NO3）2+2NO2↑+2H2O；
②960g  Mg与1000L 4mol/L的HNO3充分反应，Mg的物质的量为40mol，HNO3的物质的量为4000mol，反应中硝酸过量，
由图象可知：n（NO）：n（N2）：n（NO2）：n（H2）=5：3：1：1，同时还原产物还有NH4+，
40 molMg失去电子为80 mol，反应生成气体n=
224L
22.4L/mol
=10mol，其中n（NO）=10mol×
5
10
=5mol，nn（N2）=3mol，n（NO2）=1mol，n（H2）=1mol，则气体得到电子数为5mol×3+3mol×5×2+1mol×1+1mol×2=48mol，
则生成NH4+时N元素得到的电子为80mol-48mol=32，所以生成NH4+的量为32×
1
8
=4mol，
所以n（NO）：n（N2）：n（NO2）：n（H （1）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
80
=17吨，需要硝酸为80吨-17吨=63吨，
设制备 63t HNO3 需要NH3的质量为m，则：
NH3～～～～～～～～～～～～～～～HNO3
17                            63
m×96%×92%                    63 t
所以17：63=m×96%×92%：63 t
解得m=
17
0.96×0.92
 t，
所以V（NH3）=[（
17
0.96×0.92
+17）×106÷17g/mol]×22.4L/mol=47.762×106L=47762m3，
故答案为：47762；
（2）①设起始时NO2物质的量为1 mol，经过n次循环后生成HNO3的物质的量为：Sn=
2
3
+
2
3
×
1
3
+
2
3
×（
1
3
）2+
2
3
×（
1
3
）3+・・・・・・+
2
3
×（
1
3
）n-1，经等比数列求和可得：Sn=1-（
1
3
）n，则NO2生成HNO3转化率为：
1-(
1
3
)n
1
=a，即a=1-（
1
3
）n；
故答案为：a=1-（
1
3
）n；
②n=1时，转化率为66.7%
n=2时，转化率为1-
1
9
=88.9%<96%
n=3时，转化率为1-
1
27
=96.3%>96%
故经过3次循环操作，才能使95%的二氧化氮转变为硝酸，
故答案为：3；
（3）①根据图象可知当硝酸浓度大于10.0mol/L时，气体产物只有NO2，Mg+HNO3→Mg（NO3）2+NO2↑+H2O，反应中HNO3→NO2，N元素从+5价降到+4价得到1个电子，
Mg→Mg（NO3）2，Mg元素从0价升到+2价失去2个电子，所以Mg的计量数为1，NO2的计量数为2，再根据原子守恒配平：Mg+4HNO3=Mg（NO3）2+2NO2↑+2H2O；
故答案为：Mg+4HNO3=Mg（NO3）2+2NO2↑+2H2O；
②960g  Mg与1000L 4mol/L的HNO3充分反应，Mg的物质的量为40mol，HNO3的物质的量为4000mol，反应中硝酸过量，
由图象可知：n（NO）：n（N2）：n（NO2）：n（H2）=5：3：1：1，同时还原产物还有NH4+，
40 molMg失去电子为80 mol，反应生成气体n=
224L
22.4L/mol
=10mol，其中n（NO）=10mol×
5
10
=5mol，nn（N2）=3mol，n（NO2）=1mol，n（H2）=1mol，则气体得到电子数为5mol×3+3mol×5×2+1mol×1+1mol×2=48mol，
则生成NH4+时N元素得到的电子为80mol-48mol=32，所以生成NH4+的量为32×
1
8
=4mol，
所以n（NO）：n（N2）：n（NO2）：n（H
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