Question

11．某研究性學習小組的同學通過查詢資料知道，鐵與濃度為1.15mol/L～1.25mol/L的硝酸反應時可同時得到NO₂、NO、N₂三種氣體．他們欲利用下列儀器驗證該結論的正確性（已知二氧化氮的沸點為21.1℃、熔點為-11℃，NO的沸點為-151℃、熔點為-164℃，假設實驗過程中的每步轉化均是完全的）．
（1）實驗時先通過K處導管向裝置內通入CO₂氣體以排除裝置內空氣，目的是防止氧氣、氮氣對生成的NO、N₂的檢驗產生干擾；若生成上述三種還原產物各0.02mol，則需要消耗鐵的質量（硝酸足量）為5.23g．
（2）B中冰鹽水的作用是冷卻NO₂，使其液化，證明有NO₂生成的現象是B中試管有紅棕色液體出現．
（3）實驗過程中，發(fā)現在B中產生預期現象的同時C中溶液的顏色慢慢變淺，則C中最可能發(fā)生的反應的離子方程式是5NO+4H⁺+3MnO₄^-=3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O；裝置D、E是用于（排液法）收集N₂，請完善裝置D（在原圖中進行）．
（4）將等物質的量的NO₂、NO通入冰凍的水中二者恰好反應并得到一種酸X，則X的化學式為HNO₂．有同學認為，不能根據X與Na₂SO₃溶液反應的情況比較X的酸性與亞硫酸的酸性的相對強弱，該同學的理由是HNO₂能氧化SO₃^2-．

Answer 1

分析 探究鐵與濃度為1.15mol/L～1.25mol/L的硝酸反應可同時得到NO₂、NO、N₂三種氣體，若二氧化氮氣體，NO₂沸點為21.1℃，經過冰鹽水冷卻生成的氣體，出現紅棕色液體，C中盛放酸性高錳酸鉀，若出現高錳酸鉀褪色，說明有NO生成，氧化反應為：5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O，最后采用排水法測定剩余的氮氣，
（1）根據空氣中含氮氣和氧氣及NO遇空氣中的氧氣就反應生成NO₂分析；根據得失電子守恒計算消耗鐵的質量；
（2）根據以上分析，二氧化氮為紅棕色氣體，冰鹽水冷卻生成的氣體，出現有色液體；
（3）實驗過程中，發(fā)現在D中產生預期現象的同時，C中溶液顏色慢慢褪去，為NO和高錳酸根離子反應氧化還原反應，根據質量守恒和得失電子守恒配平；
（4）將等物質的量的NO₂、NO混合后通入低溫下的水中發(fā)生價態(tài)歸中反應生成亞硝酸；比較X的酸性與亞硫酸的酸性的相對強弱，利用強酸制弱酸的原理．

解答 解：（1）根據實驗原理檢驗鐵與濃度為1.15mol/L～1.25mol/L的硝酸反應時可同時得到NO₂、NO、N₂三種氣體，又空氣中含氮氣和氧氣及NO遇空氣中的氧氣就反應生成NO₂，所以裝置中的空氣對生成的NO、N₂的檢驗產生干擾，則實驗時先通過K處導管向裝置內通入CO₂氣體以排除裝置內空氣；
若生成上述三種還原產物各0.02mol，根據得失電子守恒，則需要消耗鐵的質量（硝酸足量）為$\frac{0.02×（5-4）+0.02（5-2）+0.02×（5-0）×2}{3}$×56=5.23g；
故答案為：防止氧氣、氮氣對生成的NO、N₂的檢驗產生干擾；5.23；
（2）根據以上分析，二氧化氮為紅棕色氣體，冰鹽水冷卻NO₂，使其液化，出現有色液體，所以證明有NO₂生成的現象是B中試管有紅棕色液體出現；
故答案為：冷卻NO₂，使其液化；B中試管有紅棕色液體出現；
（3）C中溶液顏色慢慢褪去，為NO和高錳酸根離子反應氧化還原反應，該反應中，反應中物質的化合價變化：MnO₄^-→Mn²⁺，Mn元素化合價由+7價→+2價，一個MnO₄^-得5個電子；NO→NO₃^-，N由+2價變成+5價，一個NO分子失去3個電子，所以其最小公倍數為15，故MnO₄^-的計量數為3，NO的計量數為5，然后根據原子守恒配平其它元素，配平后的離子方程式為：5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O，
故答案為：5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O；
（4）將等物質的量的NO₂、NO混合后通入低溫下的水中發(fā)生價態(tài)歸中反應，反應方程式為：NO₂+NO+H₂O=2HNO₂，所以X的化學式為HNO₂；
比較X的酸性與亞硫酸的酸性的相對強弱，利用強酸制弱酸的原理，又HNO₂具有氧化性，而Na₂SO₃溶液具有強還原性，所以兩者發(fā)生氧化還原反應，沒有發(fā)生
強酸制弱酸的反應；
故答案為：HNO₂；HNO₂能氧化SO₃^2-．

點評 本題考查性質方案的設計，題目難度中等，涉及反應產物的測定、對實驗原理與裝置的理解、實驗方案設計等知識，題理解實驗原理是解題的關鍵，是對知識的綜合考查，需要學生具有知識的基礎與綜合運用知識分析問題、解決問題的能力．