Question

Для внесения азотных удобрений в почву можно использовать мочевину CO(NH2)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 условиях их проведения.
в)  На картофельное поле необходимо внести азотные удобрения из расчёта 15 г азота на 1 м2 с помощью смеси нитрата аммония и мочевины. При этом после внесения удобрения содержание нитрат-ионов в почве не должно превышать 5 г на 1 м2. Рассчитайте максимальную массовую долю нитрата аммония в такой смеси. Чему равна масса такой смеси, необходимой для удобрения поля площадью 100 м2?

Answer 1

Дано:

1. Норма внесения азота на 1 м2 = 15 г.
2. Площадь поля = 100 м2.
3. Максимальное содержание нитрат-ионов в почве = 5 г на 1 м2.

Найти:
а) тривиальное название нитрата аммония.
б) уравнения реакций получения нитрата аммония в промышленных условиях.
в) максимальную массовую долю нитрата аммония в смеси и массу удобрений для поля площадью 100 м2.

Решение:

а)
Нитрат аммония имеет тривиальное название — аммиачная селитра.

б)
Нитрат аммония NH4NO3 получают промышленным способом двумя основными реакциями:

1. Реакция между аммиаком и азотной кислотой:
NH3 + HNO3 → NH4NO3.

2. Реакция между карбонатом аммония и азотной кислотой (как альтернатива):
(NH4)2CO3 + 2HNO3 → 2NH4NO3 + CO2 + H2O.

Условия реакции: первая реакция проводится при обычной температуре, вторая — с контролем температуры и давления, чтобы обеспечить полный ход реакции.

в)
В 1 моль нитрата аммония содержится 1 моль азота (N), что соответствует 14 г/моль.

Сначала найдем общую массу азота, необходимую для 100 м2:
Общая масса азота = 15 г/м2 * 100 м2 = 1500 г.

Пусть x — масса нитрата аммония в смеси, тогда следующее выражение покажет количество азота из нитрата аммония:
(14 / 80) * x = количество азота из нитрата аммония,
где 80 г/моль — молярная масса NH4NO3 (14 + 1*4 + 14 = 80).

Теперь определим, сколько нитратов можно внести, чтобы их содержание не превышало 5 г/м2. Для 100 м2 это будет:
Максимально допустимая масса нитратов = 5 г/м2 * 100 м2 = 500 г.

Определим максимальную массу нитратов в составе нитрата аммония, которая равна его молярной массе:
Нитрат-ион (NO3) имеет массу 62 г/моль.

Масса нитратов из x будет равна количеству нитратов:
(62 / 80) * x ≤ 500 г.

Теперь подставим это неравенство:
(62 / 80) * x ≤ 500,
x ≤ (500 * 80) / 62,
x ≤ 645,16 г.

Теперь мы можем найти максимальную массовую долю нитрата аммония в смеси. Обозначим y как массу мочевины. Тогда:
x + y = общая масса смеси.

Также, знаем, что 1500 г азота будет получено из смеси, имеющей состав:
(14/80)*x + (14/60)*y = 1500,
где 60 г/моль — молярная масса мочевины CO(NH2)2 (12 + 16 + 2*14 = 60).

Теперь решим систему двух уравнений и найдем соответствующие массы. Вводим новое уравнение:
y = 1500 - (14/80)*x.

Теперь мы можем подставить это в первое уравнение:
x + (1500 - (14/80)*x) ≤ 645,16.

Это уравнение поможет найти максимальную массу удобрения.

После вычислений:
x ≤ 645,16 г.

Теперь мы можем подставить это значение в уравнение для определения массы смеси:
y = 1500 - (14/80)*645,16 ≈ 1500 - 113,13 ≈ 1386,87 г.

Таким образом, максимальная масса смеси составит:
x + y ≤ 645,16 + 1386,87 = 2032,03 г.

Ответ: максимальная массовая доля нитрата аммония в смеси составляет приблизительно 32,7% (645,16 г из 2032,03 г), а масса удобрений для поля площадью 100 м2 равна 2032,03 г.