Question

(14分)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)上用水吸收二氧化氮生產(chǎn)硝酸，生成的氣體經(jīng)過多次氧化、吸收的循環(huán)操作使其充分轉(zhuǎn)化為硝酸(假定上述過程中無其它損失)。

① 試寫出上述反應(yīng)的化學(xué)方程式。                                     

② 設(shè)循環(huán)操作的次數(shù)為n，試寫出NO₂→HNO₃轉(zhuǎn)化率與循環(huán)操作的次數(shù)n之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

③ 計(jì)算一定量的二氧化氮?dú)怏w要經(jīng)過多少次循環(huán)操作，才能使95％的二氧化氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛幔?

(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(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，測得其氣相產(chǎn)物有H₂、N₂、NO、NO₂，液相產(chǎn)物有Mg(NO₃)₂，NH₄NO₃和H₂O。生成這些產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)的方程式；

                                                                   

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

Answer 1

(1) (8分)

① (2分)3NO₂+H₂O2HNO₃+NO；2NO+O₂=2NO₂

② (3分)設(shè)起始時(shí)NO₂物質(zhì)的量為1 mol，經(jīng)過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－1，經(jīng)等比數(shù)列求和得Sn=1－(1/3)n。因此，NO₂→HNO₃轉(zhuǎn)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(jīng)過3次循環(huán)操作才能使95%的NO₂轉(zhuǎn)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(shí)還原產(chǎn)物還有NH₄⁺，并通過得失電子相等確定與前者的關(guān)系。

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