Question

HNO₃是極其重要的化工原料．工業(yè)上制備HNO₃采用NH₃催化氧化法，將中間產(chǎn)生的NO₂在密閉容器中多次循環(huán)用水吸收制備的．
（1）工業(yè)上用水吸收NO₂生產(chǎn)硝酸，生成的尾氣經(jīng)過(guò)多次氧化、吸收的循環(huán)操作使其充分轉(zhuǎn)化為硝酸（假定上述過(guò)程中無(wú)其它損失）．
①試寫(xiě)出上述反應(yīng)的化學(xué)方程式

 

．
②設(shè)循環(huán)操作的次數(shù)為n次，試寫(xiě)出NO₂→HNO₃轉(zhuǎn)化率a與循環(huán)次數(shù)n之間關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式．

 

．
（2）用上述方法制備的HNO₃為稀HNO₃，將它用水稀釋或蒸餾、濃縮可制得不同濃度的HNO₃．實(shí)驗(yàn)證明：不同濃度的HNO₃與同一金屬反應(yīng)可生成不同的還原產(chǎn)物．例如鎂與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得其氣相產(chǎn)物有H₂、N₂、NO、NO₂，液液中有Mg（NO₃）₂、NH₄NO₃和H₂O．生成這些產(chǎn)物的HNO₃濃度范圍為：H₂：c＜6.6mol/L；N₂和NH₄⁺：c＜10.0mol/L；NO：0.10mol/L＜c＜10.0mol/L；NO₂：c＞2.0mol/L．各氣體產(chǎn)物成分及含量隨HNO₃的濃度變化曲線如圖所示．
①寫(xiě)出Mg與12mol/L的HNO₃反應(yīng)的化學(xué)方程式

 

．
②480mg Mg與0.50L 4.0mol/L的HNO₃充分反應(yīng)，收集到112mL氣體（SPT）．試通過(guò)計(jì)算寫(xiě)出反應(yīng)化學(xué)方程式．

 

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Answer 1

分析：（1）①NO₂與水反應(yīng)生成HNO₃和NO，又NO能被O₂氧化為NO₂；
②設(shè)起始時(shí)NO₂物質(zhì)的量為1 mol，經(jīng)過(guò)n次循環(huán)后生成HNO₃的物質(zhì)的量為：Sn=

2

3

+

2

3

×

1

3

+

2

3

×（

1

3

）²+

2

3

×（

1

3

）³+??????+

2

3

×（

1

3

）n^n-1，經(jīng)等比數(shù)列求和可得，再根據(jù)轉(zhuǎn)化率公式求算出轉(zhuǎn)化率a與循環(huán)次數(shù)n之間關(guān)系；
（2）①根據(jù)圖象可知當(dāng)硝酸濃度大于10.0mol/L時(shí)，氣體產(chǎn)物只有NO₂，根據(jù)得失電子守恒和原子守恒寫(xiě)出方程式；
②480mg Mg與0.50L 4.0mol/L的HNO₃充分反應(yīng)，Mg的物質(zhì)的量比較少，反應(yīng)中硝酸過(guò)量，由圖象可知：n（NO）：n（N₂）：n（NO₂）：n（H₂）=5：3：1：1，同時(shí)還原產(chǎn)物還有NH₄⁺，根據(jù)Mg失去電子總數(shù)與氣體得到電子數(shù)之差，求出NH₄⁺的量，再通過(guò)原子守恒配平方程．

解答：解：（1）①NO₂與水反應(yīng)生成HNO₃和NO，又NO能被O₂氧化為NO₂；所以上述反應(yīng)的化學(xué)方程式為3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，2NO+O₂=2NO₂；
故答案為：3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，2NO+O₂=2NO₂；
②設(shè)起始時(shí)NO₂物質(zhì)的量為1 mol，經(jīng)過(guò)nn次循環(huán)后生成HNO₃的物質(zhì)的量為：Sn=

2

3

+

2

3

×

1

3

+

2

3

×（

1

3

）²+

2

3

×（

1

3

）³+??????+

2

3

×（

1

3

）n^n-1，經(jīng)等比數(shù)列求和可得：Sn=1-（

1

3

）nⁿ，則NO₂生成HNO₃轉(zhuǎn)化率為：

1-( 1 3 )n

1

=a，即a=1-（

1

3

）nⁿ；
故答案為：a=1-（

1

3

）nⁿ；
（2）①根據(jù)圖象可知當(dāng)硝酸濃度大于10.0mol/L時(shí)，氣體產(chǎn)物只有NO₂，Mg+HNO₃→Mg（NO₃）₂+NO₂↑+H₂O，反應(yīng)中HNO₃→NO₂，N元素從+5價(jià)降到+4價(jià)得到1個(gè)電子，
Mg→Mg（NO₃）₂，Mg元素從0價(jià)升到+2價(jià)失去2個(gè)電子，所以Mg的計(jì)量數(shù)為1，NO₂的計(jì)量數(shù)為2，再根據(jù)原子守恒配平：Mg+4HNO₃=Mg（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O；
故答案為：Mg+4HNO₃=Mg（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O；
②480mg Mg與0.50L 4.0mol/L的HNO₃充分反應(yīng)，Mg的物質(zhì)的量比較少為0.02mol，HNO₃的物質(zhì)的量為2mol，反應(yīng)中硝酸過(guò)量，
由圖象可知：nn（NO）：nn（N₂）：n（NO₂）：n（H₂）=5：3：1：1，同時(shí)還原產(chǎn)物還有NH₄⁺，
0.02molMg失去電子為0.04mol，反應(yīng)生成氣體為n=0.005mol，其中nn（NO）=0.005mol×

5

10

=0.0025mol，nn（N₂）=0.0015mol，n（NO₂）=0.0005mol，
n（H₂）=0.0005mol，則氣體得到電子數(shù)為0.0025mol×3+0.0015mol×5×2+0.0005mol×1+0.0005mol×2=0.024mol，
則生成NH₄⁺時(shí)N元素得到的電子為0.04mol-0.024mol=0.016，所以生成NH₄⁺的量為0.016×

1

8

=0.002mol，
所以n（NO）：nn（N₂）：n（NO₂）：n（H₂）：n（NH₄⁺）：n（Mg）=5：3：1：1：4：40，
所以NO、N₂、NO₂、H₂、NH₄NO₃、Mg的計(jì)量數(shù)分別為5、3、1、1、4、40，再由原子守恒得方程為：40Mg+100HNO₃=5NO↑+3N₂↑+H₂↑+NO₂↑+4NH₄NO₃+40Mg（NO₃）₂+41H₂O；
故答案為：40Mg+100HNO₃=5NO↑+3N₂↑+H₂↑+NO₂↑+4NH₄NO₃+40Mg（NO₃）₂+41H₂O．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了二氧化氮與水制備硝酸的反應(yīng)，氧化還原方程式的配平等，題目難度很大，要求學(xué)生對(duì)氧化還原反應(yīng)掌握比較深入，同時(shí)有比較好的數(shù)學(xué)功底．