Question

硫酸工业中通常将尾气转化为铵盐（硫酸铵、硫酸氢铵），既能防止对大气的污染，又能充分利用原料．
某厂硫酸工业尾气中SO₂、O₂的体积分数分别为0.4%和0.5%．常温下将a L硫酸工业尾气和b L空气（设空气中O₂的体积分数为20.5%，且不含SO₂）混合，使SO₂的体积分数由0.4%降为0.2%．
请回答下列问题：
（1）a：b=

 

；
（2）混合气体中O₂的体积分数为

 

；
在400℃时，将上述混合气体以5×10³L/h的速率通过V₂O₅催化剂层后，再与NH₃混合，同时缓慢喷入冷水，此时气体温度迅速由约400℃下降为200℃，在热的结晶装置中得到（NH₄）₂SO₄晶体．
（3）生产中，NH₃的通过速率约为

 

L/h时，原子利用率最高（设SO₂的转化率为100%）．
为测定某工厂得到的铵盐中氮元素的质量分数，将不同质量的铵盐分别加入到50.00mL相同浓度的NaOH溶液中，沸水浴加热至气体全部逸出（此温度下铵盐不分解）．该气体经干燥后用浓硫酸吸收完全，测定浓硫酸增加的质量．部分测定结果如下：
铵盐质量为10.00g和20.00g时，浓硫酸增加的质量相同；铵盐质量为30.00g时，浓硫酸增加的质量为0.68g；铵盐质量为40.00g时，浓硫酸的质量不变．
（4）计算该铵盐中氮元素的质量分数；
（5）若铵盐质量为15.00g，计算浓硫酸增加的质量．（计算结果保留两位小数）

Answer 1

考点：化学方程式的有关计算

专题：计算题

分析：（1）0.4%降为0.2%根据二氧化硫体积不变，所以总体积必须变为原来得2倍进行分析；
（2）设通入空气体积与硫酸工业废气体积都为100L进行计算；
（3）根据两个方程式推出而二氧化硫与氨气的体积比，再根据二氧化硫的体积计算出氨气的体积；
（4）得到的铵盐产品是（NH₄）₂SO₃和NH₄HSO₃的混合物；
（5）OH^-首先是和NH₄HSO₃中的H⁺反应，随后有多的OH^-再和NH₄⁺反应放出氨气，所以随着铵盐的量的增大，NH₄HSO₃的量也增大，放出的氨气的量会为0．浓硫酸增加的质量就是氨气的质量．第一次和第二次放出的氨气的量是一样的，所以说第一次肯定是OH^-的量过量．利用第二次的量计算（因为是OH^-不足）．

解答： 解：（1）SO₂的体积分数由0.4%降为0.2%因为二氧化硫体积不变，所以总体积必须变为原来的2倍，即空气与尾气的体积比为1：1；故答案为：1：1；
（2）设通入空气体积与硫酸工业废气体积都为100L则含氧气的体积为：100L×0.5%+100L×20.5%=21L，则混合后氧气体积分数为

21L

200L

=10.5%，
故答案为：10.5%；
（3）由通入空气后的硫酸工业尾气以5×10³L/h的速率通过V₂O₅催化剂，可知通过二氧化硫的体积是5×10³L/h×0.2%=10L/h；由2SO₂+O₂

催化剂 .

△

2SO₃； SO₃+H₂O+2NH₃=（NH₄）₂SO₄可推出二氧化硫与氨气的分子个数比为1：2，所以体积比也是1：2，所以氨气的速率为20L/h；故答案为：20；
（4）得到的铵盐产品是（NH₄）₂SO₃和NH₄HSO₃的混合物；本反应历程是：OH^-首先是和NH₄HSO₃中的H⁺反应，随后有多的OH^-再和NH₄⁺反应放出氨气，所以随着铵盐的量的增大，NH₄HSO₃的量也增大，放出的氨气的量会为0；
由题知铵盐质量为30.00g时，产生0.04molNH₃．该铵盐中NH₄HSO₄先与NaOH溶液反应，2NH₄HSO₄+2NaOH=（NH₄）₂SO₄+Na₂SO₄+H₂O，只有当NH₄HSO₄中的H⁺消耗完全后，NH₄⁺才能与NaOH溶液反应产生NH₃，NH₄⁺+OH^-=NH₃↑+H₂O．据此判断铵盐质量为10.00g时NaOH溶液过量，铵盐质量为20.00g和30.00g时，消耗的NaOH质量相等．设10.00g铵盐中NH₄HSO₄ 与（NH₄）₂SO₄的物质的量分别为X、Y，n（NH₃）=n（OH^-）-n（H⁺），则有：

铵盐质量/g	10.00	20.00	30.00	40.00
含NH4HSO4、（NH4）2SO4/mol	X、Y	2X、2Y	3X、3Y	4X、4Y
产生NH3/mol	X+2Y	X+2Y	0.04	0
消耗NaOH/mol	2X+2Y	3X+2Y	3X+0.04	3X+0.04

因此3X+2Y=3X+0.04，解得Y=0.02mol，又115X+132Y=10.00，得X=0.064mol．则该铵盐中氮元素的质量分数为

(0.064+2×0.02)mol×14g/mol

10.0g

×100%=14.56%，
答：该铵盐中氮元素的质量分数为14.565；
（5）由15.00 g铵盐与NaOH溶液反应产生的NH₃可知浓硫酸增加的质量，由上面讨论可知此NaOH溶液中共有0.232molNaOH，当铵盐质量为15.00g时含0.096mol NH₄HSO₄和0.03mol （NH₄）₂SO₄，共有NH₄⁺和H⁺ 0.252mol，故NaOH不足，此时产生n（NH₃）=（0.232-0.096）mol=0.136mol，NH₃的质量=0.136mol×17g/mol=2.31g答：浓硫酸增加的质量为2.31g．

点评：本题考查了工业制硫酸的基本原理，考查化学平衡的影响因素和化学反应速率的影响因素，以硫酸工业尾气的吸收为载体考查化学计算，涉及混合物计算，过量问题的计算、范围讨论型计算、信息迁移型计算、NH₄⁺、H⁺与NaOH溶液反应的先后顺序等知识，定性与定量相结合，综合性强，题目难度较大．