Question

18．在有机化学中，浓硝酸与浓硫酸的混合液是重要的硝化试剂．硝酸在工业上主要以氨催化氧化法生产，某学生小组在实验室探究硝酸的制备和性质．
Ⅰ．硝基苯的制备（图甲）
在100mL锥形瓶中，加入18mL浓硝酸，在冷却和振荡下慢慢加入20mL浓硫酸制成混合酸备用．在250mL三颈烧瓶内加入18mL苯及碎瓷片，三颈烧瓶分别安装温度计、滴液漏斗及冷凝管．从滴液漏斗滴入上述制好的冷的混合酸．控制滴加速度使反应温度维持在50～55℃之间．滴加完毕后，继续控制温度反应15min．
（1）反应过程中，需控制反应温度在50～55℃之间的可能理由是防止浓硝酸分解和苯的挥发（或生成副产物间二硝基苯）．
（2）将反应后的混合液移入100mL分液漏斗，经过分液，放出下层（混合酸），然后将有机层依次用等体积的水、5%氢氧化钠溶液、水洗涤后，得到粗硝基苯．氢氧化钠溶液洗涤的作是除去产品中未反应的酸．
（3）粗硝基苯还含有的主要杂质是苯，若在实验室分离宜选用的方法是蒸馏．
Ⅱ．探究硝酸的制备
（1）氨催化氧化的化学方程式为4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$4NO+6H₂O．
（2）学生小组用如图乙所示装置制取“氨氧化法制硝酸”的原料气，则化合物X可能为NH₄HCO₃或（NH₄）₂CO₃（填化学式）．
Ⅲ．探究浓、稀硝酸氧化性的相对强弱
某学生小组按图丙所示装置进行试验（夹持仪器已略去）．实验表明浓硝酸能将NO氧化成NO₂，而稀硝酸不能氧化NO．由此得出的结论是浓硝酸的氧化性强于稀硝酸．可选药品：浓硝酸、3mol•L^-1稀硝酸、蒸馏水、浓硝酸、氢氧化钠溶液及二氧化碳．
（1）实验时应避免有害气体排放到空气中，则装置③、④、⑥中盛放的药品依次是3mol/L稀硝酸、浓硝酸、氢氧化钠溶液．
（2）装置②的作用是将NO₂转化为NO．
（3）该小组得出上述结论的实验现象是装置③中液面上方气体仍为无色，装置④中液面上方气体由无色变为红棕色．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）可结合反应物的性质及有机反应的特征来解答；
（2）有机层粗产物中有少量的硫酸，可以用氢氧化钠除去；
（3）通过分液操作除去水层后，硝基苯中混有多余的苯，可结合二者的沸点差异，利用蒸馏分离；
Ⅱ（1）在一定条件下氨气与氧气反应生成一氧化氮和水；
（2）氨催化氧化法制硝酸的原料气是氧气和氨气，其中过氧化钠能与水或CO₂反应生成氧气，故X能提供氨气和二氧化碳或水，且X为固体，据此分解推断X的成分；
Ⅲ（1）根据装置特点和实验目的判断；
（2）根据二氧化氮的性质且能转化为一氧化氮选择试剂；
（3）根据对比实验③、④的实验现象判断．

解答 解：Ⅰ（1）制硝基苯的反应物硝酸高温易分解，苯易挥发，有机反应如果反应条件控制不当易产生副反应，故答案为：防止浓硝酸分解和苯的挥发（或生成副产物间二硝基苯）；
（2）有机层粗产物中有少量的硫酸和硝酸，可以用氢氧化钠除去产品中的硫酸和硝酸，
故答案为：除去产品中未反应的酸；
（3）分液后的有机层主要成分是硝基苯，另有少量未反应的苯；可根据苯和硝基苯的沸点差异，利用蒸馏分离，故答案为：苯；蒸馏；
Ⅱ：（1）①氨催化氧化的产物是一氧化氮和水，是工业生产硝酸获得一氧化氮的一步反应，化学方程式为4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$4NO+6H₂O，
故答案为：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$4NO+6H₂O；
②利用过氧化钠与水或二氧化碳生成氧气，则X须受热分解生成氨气、二氧化碳和水，故应该为NH₄HCO₃或（NH₄）₂CO₃，故答案为：NH₄HCO₃或（NH₄）₂CO₃；
Ⅲ：（1）根据装置特点和实验目的，装置⑤是收集NO，装置⑥中盛放NaOH溶液吸收NO₂防止污染大气；因为要验证稀HNO₃不能氧化NO，所以装置③中应该盛放稀硝酸，
故答案为：3mol/L稀硝酸；浓硝酸；氢氧化钠溶液；
（2）装置②中盛放H₂O，使NO₂与H₂O反应生成NO：3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，故答案为：将NO₂转化为NO；
（3）NO通过稀HNO₃溶液后，若无红棕色NO₂产生，说明稀HNO₃不能氧化NO，所以盛放稀HNO₃装置的液面上方没有颜色变化即可说明之．装置④中盛放的是浓HNO₃，若浓HNO₃能氧化NO则装置④液面的上方会产生红棕色气体，
故答案为：装置③中液面上方气体仍为无色，装置④中液面上方气体由无色变为红棕色．

点评 物质制备实验探究，考查了硝酸苯的制备与分离提纯、氨气的实验室制备和实验方案的评价、考查HNO₃的性质、属物质验证性实验设计，利用对比的方法判断硝酸的性质．结合已知的物质具有的性质，选择合适的试剂，设计具体实验方案验证物质是否具有该性质．对有毒气体要设计尾气处理装置，防止污染环境．