Номер 865, страница 153 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

865. Для внесения азотных удобрений в почву можно использовать мочевину $CO(NH_2)_2$ и нитрат аммония. При этом следует учитывать, что избыточное содержание нитратов в почве приводит к увеличению их концентрации в выращенной на этой почве сельскохозяйственной продукции, поэтому следует использовать смеси азотных удобрений.

а) Какое тривиальное название имеет нитрат аммония?

б) Как получают нитрат аммония в промышленных условиях? Приведите уравнения соответствующих реакций и укажите условия их проведения.

в) На картофельное поле необходимо внести азотные удобрения из расчёта 15 г азота на $1 \text{ м}^2$ с помощью смеси нитрата аммония и мочевины. При этом после внесения удобрения содержание нитрат-ионов в почве не должно превышать 5 г на $1 \text{ м}^2$. Рассчитайте максимальную массовую долю нитрата аммония в такой смеси. Чему равна масса такой смеси, необходимой для удобрения поля площадью $100 \text{ м}^2$?

а) ТRивиальное, или бытовое, название нитрата аммония ($NH_4NO_3$) — аммиачная селитра.

Ответ: аммиачная селитра.

б) В промышленности нитрат аммония получают путем нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком. Этот процесс является экзотермическим (с выделением большого количества тепла) и непрерывным.

Уравнение реакции:

$NH_3 (\text{газ}) + HNO_3 (\text{конц.}) \rightarrow NH_4NO_3 + Q$

Условия проведения реакции:

• В качестве реагентов используют газообразный аммиак и концентрированную азотную кислоту (с концентрацией 50-60%).
• Процесс ведут в специальных аппаратах — нейтрализаторах — при повышенной температуре (около 170-180°C) и атмосферном или слегка повышенном давлении.
• Теплота, выделяющаяся в ходе реакции, используется для выпаривания воды из раствора, в результате чего получают концентрированный плав нитрата аммония, который затем гранулируют.

Ответ: нитрат аммония получают реакцией нейтрализации аммиака азотной кислотой ($NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$). Реакция проводится в непрерывном режиме при повышенной температуре (170-180°C) с использованием тепла реакции для концентрирования продукта.

в) Дано:

Норма внесения азота: $m_{N(\text{общ})} / S = 15 \text{ г/м}^2$

Максимальное содержание нитрат-ионов: $m_{NO_3^-(\text{max})} / S = 5 \text{ г/м}^2$

Удобрения: смесь мочевины $CO(NH_2)_2$ и нитрата аммония $NH_4NO_3$

Площадь поля: $S = 100 \text{ м}^2$

Найти:

Максимальную массовую долю нитрата аммония в смеси $\omega_{\text{max}}(NH_4NO_3) - ?$

Массу смеси для удобрения поля $m_{\text{смеси}}(\text{общ}) - ?$

Решение:

Все расчеты проведем для площади 1 м².

1. Рассчитаем молярные массы и массовые доли элементов в удобрениях.

• $M(NH_4NO_3) = 14 + 4 \cdot 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 80 \text{ г/моль}$
• $M(CO(NH_2)_2) = 12 + 16 + 2 \cdot (14 + 2 \cdot 1) = 60 \text{ г/моль}$
• $M(NO_3^-) = 14 + 3 \cdot 16 = 62 \text{ г/моль}$
• $M(N) = 14 \text{ г/моль}$

2. Нитрат-ионы ($NO_3^-$) в почву поступают только из нитрата аммония. Найдем максимальную массу нитрата аммония, которую можно внести на 1 м², чтобы не превысить лимит по нитрат-ионам (5 г).

Массовая доля нитрат-ионов в нитрате аммония:

$\omega(NO_3^- \text{ в } NH_4NO_3) = \frac{M(NO_3^-)}{M(NH_4NO_3)} = \frac{62 \text{ г/моль}}{80 \text{ г/моль}} = 0,775$

Максимальная масса нитрата аммония на 1 м²:

$m_{\text{max}}(NH_4NO_3) = \frac{m_{NO_3^-(\text{max})}}{\omega(NO_3^- \text{ в } NH_4NO_3)} = \frac{5 \text{ г}}{0,775} \approx 6,452 \text{ г}$

3. Рассчитаем, сколько азота будет внесено с этой массой нитрата аммония.

Массовая доля азота в нитрате аммония:

$\omega(N \text{ в } NH_4NO_3) = \frac{2 \cdot M(N)}{M(NH_4NO_3)} = \frac{2 \cdot 14 \text{ г/моль}}{80 \text{ г/моль}} = 0,35$

Масса азота из нитрата аммония на 1 м²:

$m_{N}(NH_4NO_3) = m_{\text{max}}(NH_4NO_3) \cdot \omega(N \text{ в } NH_4NO_3) = 6,452 \text{ г} \cdot 0,35 \approx 2,258 \text{ г}$

4. Общая требуемая масса азота на 1 м² составляет 15 г. Недостающее количество азота необходимо внести с помощью мочевины.

$m_{N}(CO(NH_2)_2) = m_{N(\text{общ})} - m_{N}(NH_4NO_3) = 15 \text{ г} - 2,258 \text{ г} = 12,742 \text{ г}$

5. Рассчитаем массу мочевины, которая содержит 12,742 г азота.

Массовая доля азота в мочевине:

$\omega(N \text{ в } CO(NH_2)_2) = \frac{2 \cdot M(N)}{M(CO(NH_2)_2)} = \frac{2 \cdot 14 \text{ г/моль}}{60 \text{ г/моль}} \approx 0,4667$

Масса мочевины на 1 м²:

$m(CO(NH_2)_2) = \frac{m_{N}(CO(NH_2)_2)}{\omega(N \text{ в } CO(NH_2)_2)} = \frac{12,742 \text{ г}}{0,4667} \approx 27,304 \text{ г}$

6. Найдем общую массу смеси удобрений на 1 м² и рассчитаем максимальную массовую долю нитрата аммония в ней.

Общая масса смеси на 1 м²:

$m_{\text{смеси}}(1\text{м}^2) = m_{\text{max}}(NH_4NO_3) + m(CO(NH_2)_2) = 6,452 \text{ г} + 27,304 \text{ г} = 33,756 \text{ г}$

Максимальная массовая доля нитрата аммония в смеси:

$\omega_{\text{max}}(NH_4NO_3) = \frac{m_{\text{max}}(NH_4NO_3)}{m_{\text{смеси}}(1\text{м}^2)} \cdot 100\% = \frac{6,452 \text{ г}}{33,756 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 19,1\%$

7. Рассчитаем массу смеси, необходимой для удобрения всего поля площадью 100 м².

$m_{\text{смеси}}(\text{общ}) = m_{\text{смеси}}(1\text{м}^2) \cdot S = 33,756 \text{ г/м}^2 \cdot 100 \text{ м}^2 = 3375,6 \text{ г} \approx 3376 \text{ г}$

Ответ: максимальная массовая доля нитрата аммония в такой смеси составляет 19,1%. Масса смеси, необходимой для удобрения поля площадью 100 м², равна 3376 г.