Question

HNO₃是极其重要的化工原料．工业上制备HNO₃采用NH₃催化氧化法，将中间产生的NO₂在密闭容器中多次循环用水吸收制备的．
（1）工业上用水吸收NO₂生产硝酸，生成的尾气经过多次氧化、吸收的循环操作使其充分转化为硝酸（假定上述过程中无其它损失）．
①试写出上述反应的化学方程式______．
②设循环操作的次数为n次，试写出NO₂→HNO₃转化率a与循环次数n之间关系的数学关系式．______．
（2）用上述方法制备的HNO₃为稀HNO₃，将它用水稀释或蒸馏、浓缩可制得不同浓度的HNO₃．实验证明：不同浓度的HNO₃与同一金属反应可生成不同的还原产物．例如镁与硝酸反应实验中，测得其气相产物有H₂、N₂、NO、NO₂，液液中有Mg（NO₃）₂、NH₄NO₃和H₂O．生成这些产物的HNO₃浓度范围为：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．各气体产物成分及含量随HNO₃的浓度变化曲线如图所示．
①写出Mg与12mol/L的HNO₃反应的化学方程式______．
②480mgMg与0.50L4.0mol/L的HNO₃充分反应，收集到112mL气体（SPT）．试通过计算写出反应化学方程式．______．

Answer 1

（1）①NO₂与水反应生成HNO₃和NO，又NO能被O₂氧化为NO₂；所以上述反应的化学方程式为3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，2NO+O₂=2NO₂；
故答案为：3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，2NO+O₂=2NO₂；
②设起始时NO₂物质的量为1 mol，经过nn次循环后生成HNO₃的物质的量为：Sn=

2

3

+

2

3

×

1

3

+

2

3

×（

1

3

）²+

2

3

×（

1

3

）³+??????+

2

3

×（

1

3

）n^n-1，经等比数列求和可得：Sn=1-（

1

3

）nⁿ，则NO₂生成HNO₃转化率为：

1-( 1 3 )n

1

=a，即a=1-（

1

3

）nⁿ；
故答案为：a=1-（

1

3

）nⁿ；
（2）①根据图象可知当硝酸浓度大于10.0mol/L时，气体产物只有NO₂，Mg+HNO₃→Mg（NO₃）₂+NO₂↑+H₂O，反应中HNO₃→NO₂，N元素从+5价降到+4价得到1个电子，
Mg→Mg（NO₃）₂，Mg元素从0价升到+2价失去2个电子，所以Mg的计量数为1，NO₂的计量数为2，再根据原子守恒配平：Mg+4HNO₃=Mg（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O；
故答案为：Mg+4HNO₃=Mg（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O；
②480mg Mg与0.50L 4.0mol/L的HNO₃充分反应，Mg的物质的量比较少为0.02mol，HNO₃的物质的量为2mol，反应中硝酸过量，
由图象可知：nn（NO）：nn（N₂）：n（NO₂）：n（H₂）=5：3：1：1，同时还原产物还有NH₄⁺，
0.02molMg失去电子为0.04mol，反应生成气体为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，则气体得到电子数为0.0025mol×3+0.0015mol×5×2+0.0005mol×1+0.0005mol×2=0.024mol，
则生成NH₄⁺时N元素得到的电子为0.04mol-0.024mol=0.016，所以生成NH₄⁺的量为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的计量数分别为5、3、1、1、4、40，再由原子守恒得方程为：40Mg+100HNO₃=5NO↑+3N₂↑+H₂↑+NO₂↑+4NH₄NO₃+40Mg（NO₃）₂+41H₂O；
故答案为：40Mg+100HNO₃=5NO↑+3N₂↑+H₂↑+NO₂↑+4NH₄NO₃+40Mg（NO₃）₂+41H₂O．