Question

HNO₃是極其重要的化工原料．工業上制備HNO₃采用NH₃催化氧化法，將中間產生的NO₂在密閉容器中多次循環用水吸收制備的．
（1）工業上用水吸收NO₂生產硝酸，生成的尾氣經過多次氧化、吸收的循環操作使其充分轉化為硝酸（假定上述過程中無其它損失）．
①試寫出上述反應的化學方程式

 

．
②設循環操作的次數為n次，試寫出NO₂→HNO₃轉化率a與循環次數n之間關系的數學關系式．

 

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（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．實驗證明：不同濃度的HNO₃與同一金屬反應可生成不同的還原產物．例如鎂與硝酸反應實驗中，測得其氣相產物有H₂、N₂、NO、NO₂，液液中有Mg（NO₃）₂、NH₄NO₃和H₂O．生成這些產物的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．各氣體產物成分及含量隨HNO₃的濃度變化曲線如圖所示．
①寫出Mg與12mol/L的HNO₃反應的化學方程式

 

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②480mg Mg與0.50L 4.0mol/L的HNO₃充分反應，收集到112mL氣體（SPT）．試通過計算寫出反應化學方程式．

 

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Answer 1

分析：（1）①NO₂與水反應生成HNO₃和NO，又NO能被O₂氧化為NO₂；
②設起始時NO₂物質的量為1 mol，經過n次循環后生成HNO₃的物質的量為：Sn=

2

3

+

2

3

×

1

3

+

2

3

×（

1

3

）²+

2

3

×（

1

3

）³+??????+

2

3

×（

1

3

）n^n-1，經等比數列求和可得，再根據轉化率公式求算出轉化率a與循環次數n之間關系；
（2）①根據圖象可知當硝酸濃度大于10.0mol/L時，氣體產物只有NO₂，根據得失電子守恒和原子守恒寫出方程式；
②480mg Mg與0.50L 4.0mol/L的HNO₃充分反應，Mg的物質的量比較少，反應中硝酸過量，由圖象可知：n（NO）：n（N₂）：n（NO₂）：n（H₂）=5：3：1：1，同時還原產物還有NH₄⁺，根據Mg失去電子總數與氣體得到電子數之差，求出NH₄⁺的量，再通過原子守恒配平方程．

解答：解：（1）①NO₂與水反應生成HNO₃和NO，又NO能被O₂氧化為NO₂；所以上述反應的化學方程式為3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，2NO+O₂=2NO₂；
故答案為：3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，2NO+O₂=2NO₂；
②設起始時NO₂物質的量為1 mol，經過nn次循環后生成HNO₃的物質的量為：Sn=

2

3

+

2

3

×

1

3

+

2

3

×（

1

3

）²+

2

3

×（

1

3

）³+??????+

2

3

×（

1

3

）n^n-1，經等比數列求和可得：Sn=1-（

1

3

）nⁿ，則NO₂生成HNO₃轉化率為：

1-( 1 3 )n

1

=a，即a=1-（

1

3

）nⁿ；
故答案為：a=1-（

1

3

）nⁿ；
（2）①根據圖象可知當硝酸濃度大于10.0mol/L時，氣體產物只有NO₂，Mg+HNO₃→Mg（NO₃）₂+NO₂↑+H₂O，反應中HNO₃→NO₂，N元素從+5價降到+4價得到1個電子，
Mg→Mg（NO₃）₂，Mg元素從0價升到+2價失去2個電子，所以Mg的計量數為1，NO₂的計量數為2，再根據原子守恒配平：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，Mg的物質的量比較少為0.02mol，HNO₃的物質的量為2mol，反應中硝酸過量，
由圖象可知：nn（NO）：nn（N₂）：n（NO₂）：n（H₂）=5：3：1：1，同時還原產物還有NH₄⁺，
0.02molMg失去電子為0.04mol，反應生成氣體為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，則氣體得到電子數為0.0025mol×3+0.0015mol×5×2+0.0005mol×1+0.0005mol×2=0.024mol，
則生成NH₄⁺時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的計量數分別為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．

點評：本題考查了二氧化氮與水制備硝酸的反應，氧化還原方程式的配平等，題目難度很大，要求學生對氧化還原反應掌握比較深入，同時有比較好的數學功底．