Question

(14分)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)工業上用水吸收二氧化氮生產硝酸，生成的氣體經過多次氧化、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，試寫出NO₂→HNO₃轉化率與循環操作的次數n之間關系的數學表達式。

③ 計算一定量的二氧化氮氣體要經過多少次循環操作，才能使95％的二氧化氮轉變為硝酸？

(2) 上述方法制備的HNO₃為稀硝酸，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，液相產物有Mg(NO₃)₂，NH₄NO₃和H₂O。生成這些產物的HNO₃濃度范圍為：H₂：c<6.6 mol/L；N₂和NH₄⁺：c<10 mol/L；NO：0.1 mol/L<c<10 mol/L；NO₂：c>0.1 mol/L。各氣相產物成分及含量隨HNO₃濃度變化曲線如下圖所示。

④ 寫出Mg與11 mol/L的HNO₃反應的方程式；

                                                                   

⑤ 960 mg Mg與一定體積4 mol/L的HNO₃恰好完全反應，收集到224 mL氣體(S.T.P)氣體，試通過計算寫出反應方程式。

Answer 1

(1) (8分)

① (2分)3NO₂+H₂O2HNO₃+NO；2NO+O₂=2NO₂

② (3分)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－1，經等比數列求和得Sn=1－(1/3)n。因此，NO₂→HNO₃轉化率為[1－(1/3)n]/1′100%

③ (3分)[1－(1/3)n]/1′100%=95%，因此，n=2.6≈3，要經過3次循環操作才能使95%的NO₂轉化為HNO₃

(2) (7分)

④ (2分)Mg+4HNO₃Mg(NO₃)₂+2NO₂↑+2H₂O

⑤ (5分)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⁺，并通過得失電子相等確定與前者的關系。

40Mg+100HNO₃5NO↑+H₂↑+NO₂↑+3N₂↑+4NH₄NO₃+40Mg(NO₃)₂+41H₂O