氨气通过溶解在水中产生氨水。尽管氨气溶解在水中会导致质量增加,但在常温常压下,体积增加通常不明显。那么为什么氨水的密度小于1?并且随着氨水浓度的增加,密度降低。
让我们来看一个问题:“含有35%(质量分数)氨的氨水的密度为0.880 g/ml,那么NH3的体积摩尔浓度是多少?”
答案是:假设氨水总量为1000mL,则NH3的质量为10000.35=350g/1000ml,故NH3的摩尔数为350/17=18.01mol,故NH3的摩尔浓度为为18.01 摩尔/升。
从这个问题中可以得到以下信息。 NH3的摩尔数是18.01mol,所以它在标准条件下的体积是403L,而这部分NH3溶于水的总体积只有1L,也就是说氨水的体积不是NH3它的体积的总和和水的体积。同样,氨水的体积也不能简单的表示为水的体积,因为如果单纯表示水的体积,体积不变,质量会增加,氨水的密度不可能为1。因此,NH3溶解后在水中,氨水的体积应介于水的体积与NH3和水的体积之和之间。
那么为什么氨水的体积增加大于溶解在水中的NH3的质量增加呢?原因是NH3溶于水后会形成氢键。氢键的存在会增加NH3溶于水后水的体积,类似于两者之间形成结构,扩大整个分子的体积,降低密度。 NH3分子和水分子具有相似的键角和电子构型。 NH3 和水在许多反应中有相似之处。
关于氢键,网上的回答是这样的:“因为N(或O)和H只能形成共价化合物,但是N(或O)对电子有很强的吸引力,所以H有一定的正离子性质,而N(或O)具有一定的阴离子性质,因此NH3中的N会吸引水中的H,水中的O会吸引NH3中的H,从而形成特殊的——氢键;而氢键只存在于N/O/F三种元素的氢化物中。
但NH3的分子量为17,H2O的分子量为18,所以氨水的密度小于水的说法是不正确的,因为这个原理只适用于气体(理想气体);液氨的浓度比水小(0下液氨的密度为0.638g/cm3),所以说氨水的密度比水低的说法并不完全正确,因为氨水是通过将NH3 溶解在水中制备的。
首先可以肯定的是,溶解在水中的NH3会有三种分子形态,即NH3H2O、NH3和H2O分子。 NH3H2O的量取决于NH3溶于水后相关反应的平衡常数。例如,在18C 时,Kb=[NH4+][OH-]/[NH3]=1.7510-5。
NH3H2O是多少我不想去研究。需要说明的是,企业通常所说的氨水浓度20%-25%是指NH3含量为20%-25%。国家标准规定的检测方法也是针对NH3的检测,不是NH3H2O的检测。因此,计算理论用于反硝化的氨水量应按NH3的量计算,而不是NH3H2O。
具体的,假设某水泥窑标准气量为300000Nm3/h,脱硝前NO2浓度(按国标折算)为800mg/Nm3,脱硝后为400mg/Nm3(当然,能控制400家的厂家已经很少了),SNCR反硝化的理论氨水消耗量是多少?
答案是:对于NO2来说,每消耗一个NO2分子,需要消耗2个NH3分子,两者的反应方程式如下:
4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O
先计算NO2减排摩尔数:302608.70000*(800-400)/1000/46=2608.7mol/h,则消耗NH3的摩尔数为5217.4mol/h,对应的NH3消耗量为88.7kg/h。对于NH3含量为20%(质量分数)的氨水,对应的氨水消耗量为443.5kg/h。由于常温下20%氨水的密度为0.92 g/cm3,氨水耗量为482 L/h。
大多数SNCR反硝化的氨氮摩尔比(NSR)为1.5-2.0,即氨水体积要乘以1.5-2.0,即723-964L/h。
即使有的氨水呈淡黄色,也符合国家标准。化工部对氨标准有如下规定:
可见,即使是淡黄色的氨水,也是符合国家规定的。为什么有点黄?是在生产过程中引入铁离子等杂质所致。