化工生产及定量分析中的综合计算问题练与析

1化工生产及定量分析中的综合计算问题练与析江苏省苏州实验中学高三化学备课组本案例设置的指导思想：化学计算对于高中学生来说一直是个难度相对较大的板块，对学生的能力要求比较高。化学计算问题设置的角度和题型比较多，而最近几年江苏高考化学试卷中有关计算的题目有所减少，主要出现的方式为与其它板块的知识内容以及题型相交叉。结合化工生产过程中的具体情景设置计算型问题是最近几年考察学生综合分析及计算能力的常见形式之一，化学定量分析中的计算也是高中学生应该掌握的重要内容。我校高三备课组主要针对该部分内容，精心挑选出相关的试题，通过同学的自主分析练习和老师的分析讲解，力求能够在该部分问题的解决能力上有所提高。问题的重心主要在原料的投料比、转化率、定量分析等方面。问题示例1（有关氨、氮肥等物质的生产方面）：某化肥厂以氨和空气（其中氧气的体积分数为0.2）为原料生产硝酸铵过程如下：空气NH3NH4NO3HNO3混合气①②③其中反应①为4NH3＋5O2催化剂Δ4NO＋6H2O⑴步骤②中发生了两个反应，将这两个化学方程式合并为一个化学方程式，可表示为_____________________________________。⑵若不考虑副反应且各步反应均完全，为使生产过程中不再补充空气，则原料气中氨（包括第③步被硝酸吸收的氨）的体积分数最大值为____________。⑶假设实际生产中，反应①、②中含氮物质的利用率分别为a、b，反应③中氨的利用率为c、硝酸的利用率为100％，则合成硝酸铵的整个流程中，氨的总利用率是多少？（要求写出解题过程）分析：该问题前两个问题主要考察学生对若干个反应进行加和后得到总的变化结果的方法，大多数同学都可以顺利解决，最后一问则考察有关利用率问题，稍有难度。答案.（1）4NO＋3O2＋2H2O＝4HNO3（2）1/6（或16.7%）（3）解法一：假设消耗NH3的总物质的量为1mol，其中用于制取HNO3的NH3的物质的量为xmol，被HNO3吸收的NH3的物质的量为ymol，则有：x＋y＝1、abx＝cy。解得：x＝cabcy＝cabab氨的总利用率＝（xab＋yc）／1＝cababc2解法二：假设第①步参加反应的氨气的物质的量为4mol，则：生成硝酸的物质的量4abmol；第③步需要氨气的物质的量为cab4mol；氨的总利用率＝cababab4444＝cababc2动手练1：以天然气为原料合成氨是新的生产氮肥的方法，它具有污染小、成本低等诸多特点，其过程大体如下：一定条件尿素（CO（NH2）2）NH4NO3NH3O2空气N2天然气H2O催化剂CO2H22某工厂以标准状况下的含CH489.6%的天然气100m3为原料经过上述过程，生产尿素和硝酸铵。⑴合成氨生产过程中氨的产率为60%，假设其它各步反应均完全且不考虑副反应，求100m3的天然气可生产尿素的质量。（注：产率为实际产量与理论产量之比）⑵为使硝酸生产过程中不再补充空气，假设各步反应均完全且氨中氮元素全部转化为HNO3，空气中氧气的体积分数设为20%，求由氨气和空气组成的原料气中(不包含被硝酸吸收的氨气)氨气与空气的体积比。⑶实际生产中，若氨的产率为60%，硝酸的产率为80%，求100m3的天然气最多可生产硝酸铵的质量。动手练1答案.．（1）192kg（2）1：10（3）227．6kg动手练2：.工业上用丁烷氧化法制醋酸，反应的化学方程式可表示为：2C4H10＋5O2一定条件4CH3COOH＋2H2O现用58吨丁烷为原料制取醋酸，求：（1）理论上需要标准状况下的空气m3（设空气中O2、N2的体积分数分别为0.2、0.8），同时生成水吨。（2）若生成的醋酸溶解在生成的水中，所得醋酸的质量分数为%。（3）若同时生产质量分数为100%的冰醋酸m1吨和质量分数为50%的醋酸m2吨，且12mmx，需补充水y吨，则y与x的关系式为；若不补充水，则m1＋m2＝。动手练2答案．（1）．2.8×105；18（2）．86.96%（3）．1023621xyx；138问题示例2（关于氯碱工业）工业上生产盐酸，必须先合成氯化氢气体，生产中得到的氯化氢气体中或多或少都会含有生成氯化氢的一种反应物，将该混合物用蒸水吸收可得一定浓度的纯盐酸．．．，此过程中逸出的气体可以循环利用。(1)写出工业电解食盐水制取H2和Cl2的化学方程式：。(2)工业上要得到纯盐酸．．．并保障工人工作安全，如何合成氯化氢是关键的一步。则下列合成氯化氢气体的方法能达到生产目的的是________。A．点燃H2和Cl2的混合物，二者体积(标准状况下测定)比为1∶1最合适B．点燃H2和Cl2的混合物，二者体积(同温同压下测定)比不应为1∶1C．纯净的H2在过量的Cl2中安静地燃烧D．纯净的Cl2在过量的H2中安静地燃烧(3)工业上电解质量分数为23.4％的精制食盐水akg，电解后残液的密度为ρkg／L。将产生的H2、Cl2在一定条件下反应制成质量分数为36.5％的盐酸bkg，已知H2、C12的利用率均为c％。①残液中氯化钠的质量分数（用含a、b、c的代数式表示）为多少？。②残液中NaOH的物质的量浓度（用含a、b、c、ρ的代数式表示）为多少？解析：(2)不论H2在Cl2中燃烧，还是Cl2在H2中燃烧，都是H2和Cl2的反应，反应的温度条件是相同的，前者产生的HCl中混有一定的Cl2，后者产生的HCl中混有一定量的H2，HCl(Cl2)溶于水得到盐酸和氯水的混合液，HCl(H2)溶于水得到纯盐酸，H2可以循环利用。(3)根据氯元素守恒可得关系式：NaCl~21Cl2~HCl，电解过程中消耗NaCl的质量为：5.58%5.36%5.36cb=58.5b/ckg，电解过程中溶液减少的质量为放出气体的质量，其质量为：%%5.36cb=36.5×b/ckg，最后易求得残液中NaCl的质量分数和NaOH的物质的量浓度。答案：(1)2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH(2)D3(3)①w(NaCl)＝bacbac5.365.58234.0×100％②c(NaOH)＝bacbρ5.36100×10mol/L问题示例3．火法炼锌是将闪锌矿(主要含ZnS)焙烧使它转化为氧化锌，再把氧化锌和焦炭混合，在鼓风炉中加热至1100—1300℃，使锌蒸馏出来(设空气中N2、02的体积分数分别为0.8、0.2)。主要反应为：焙烧炉中：2ZnS(s)+3O22ZnO(s)+2SO2(g)①鼓风炉中：2C(s)+O2(g)2C0(g)②鼓风炉中：ZnO(s)+CO(g)Zn(g)+CO2(g)③(1)ZnS质量分数为62％的闪锌矿(杂质不含锌)锌的质量分数为_______％(保留小数点后一位数字)。(2)焙烧炉产生的炉气中SO2的体积分数不超过_______％(保留小数点后一位数字)。(3)鼓风炉容积固定，炉内部分气态物质物质的量浓度(mol/L)变化如下：则鼓风炉中C0的总转化率为___________；若生产中C0的总利用率为98％，则每生产1molZn至少需补充焦炭_____g。(4)若ZnS全部转化为Zn。焙烧炉出来的N2、O2、SO2的混合气体中N2占82.5％，鼓风炉中C0的转化率为62.5％，而O2无剩余。则每生产1molZn，应向焙烧炉和鼓风炉中鼓入新鲜空气共为___________L(STP)。问题示例4．工业上可用下列反应来制取纯硅：反应①：Si(粗硅)+3HCl(g)=SiHCl3(l)+H2(g)反应②：SiHCl3(l)+H2(g)=Si(纯硅)+3HCl(g)。假设在每一轮次的投料生产中，硅元素无损失，反应①中HCl的利用率为60%，反应②中H2的利用率为80%。则下一轮次的生产中，需补充投入HCl和H2的体积比为A.4︰1B.8︰1C.2︰3D.3︰5问题示例5（定量分析问题）化学在环境监测中越来越显示其重要作用，水体受还原性物质(主要是有机物)污染的程度常用化学需氧量(COD)来衡量。COD是指在一定条件下，用强氧化剂处理一定体积水样时所消耗的强氧化剂相当于氧气的质量，单位用mg／L表示。重铬酸钾法是指在强酸性溶液中，用一定量的重铬酸钾氧化(以Ag+作催化剂)水样中的还原性物质，本身被还原为Cr3+，过量的重铬酸钾以试剂亚铁灵作指示剂，用硫酸亚铁铵溶液回滴，根据相关试剂的用量即可求出水样的化学需氧量(COD)。(1)当水样中含有浓度较高C1—时，常需加入HgS04溶液，HgS04作用及可能原因是：。(2)滴定时硫酸亚铁铵溶液需盛放在(选填：“酸”或“碱”)式滴定管中。(3)国家《生活饮用水标准检验法》(GB5750—85)中酚类的检测下限为0．002mg／L。某水源受化工厂污染，酚含量达0.282mg／L，该污染的水样中酚(以苯酚氧化成C02计算)引起的化学需氧量(COD)为mg／L。(4)某化工园区有两家企业排放出的废水中，某次COD测量值高达2100mg／L，这两家企业最有可能是。a．制糖厂b．水泥厂c．电镀厂d．造纸厂(5)现有某废水样品10．OOmL,再加10mL蒸馏水，然后加入10．00mL0.04000mol／LK2Cr207溶液，3mLl％硫酸—硫酸银溶液，17mL硫酸汞溶液，加热反应2h。在试亚铁灵指示剂存在下用0．1000mol／LFe(NH4+)2(S04)2溶液滴定多余的K2Cr207，共用去Fe(NH4+)2(S04)2溶液12．00mL。试计算该水样的化学需氧量(COD)。问题示例5答案（1）作用是：Hg2+与Cl－结合，以消除Cl－的干扰。可能原因是：Cl－能被酸性重铬酸钾氧化,并且能与催化剂Ag+作用产生沉淀,影响测定结果。（2）酸（3）0.672（4）ad（5）960mg/L时间／minC0ZnCO200.110020.10.010.0130.010.10.140.010.10.14动手练3：Na2S2O3·5H2O（俗称海波）是照相业常用的一种定影剂。工业上制得的Na2S2O3·5H2O晶体中可能含有Na2SO3。为测定某海波样品的成分，称取三份质量不同的该样品，分别加入相同浓度的硫酸溶液30mL，充分反应（Na2S2O3＋H2SO4=Na2SO4＋SO2↑＋S↓＋H2O）后滤出硫，微热滤液使SO2全部逸出。测得有关实验数据如下表（气体体积已换算为标准状况）。（1）所用硫酸溶液的物质的量浓度为。（2）样品中n(Na2S2O3·5H2O)：n(Na2SO3)=。（3）某环境监测小组用上述海波样品配制含Na2S2O30.100mol·L-1的海波溶液，并利用它测定某工厂废水中Ba2+的浓度。他们取废水50.00mL，控制适当的酸度加入足量的K2Cr2O7溶液，得BaCrO4沉淀；沉淀经洗涤、过滤后，用适量的稀盐酸溶解，此时CrO42-全部转化为Cr2O72-；再加过量KI溶液，充分反应后，用上述配制的海波溶液进行滴定，反应完全时，测得消耗海波溶液的体积为36.00mL。已知有关反应的离子方程式为：①Cr2O72-+6I-+14H+2Cr3++3I2+7H2O②I2+2S2O32-2I-+S4O62-③I2+SO32-+H2O2I-+SO42-+2H+则滴定过程中可用作指示剂。计算该工厂废水中Ba2+的物质的量浓度。动手练3：该问题综合性比较强，前两个问题考察学生将化学反应过程和表格中的数据结合起来进行分析的能力，第三个问题则重点考察定量分析的计算，若审题不到位很容易忽视样品中的亚硫酸根离子的作用而导致结果出错。答案：（1）4mol·L-1（2）5∶1（3）淀粉解：由（2）知：n(Na2S2O3)=0.036L×0.100mol·L-1=0.0036mol则：n(Na2SO3)=0.0036mol÷5=0.00072mol根据题意：①2BaCrO4~Cr2O72-~3I2~6S2O32-n1(BaCrO4)=62)(322OSNan=620036.0mol=0.0012mol②2BaCrO4~Cr2O72-~3I2~3SO32-n2(B