Question

12．已知：Pb的化合价只有+2、+4，且+4价的Pb具有强氧化性，能氧化浓HCl生成Cl₂；PbO₂不稳定，随温度升高按下列顺序逐步分PbO₂→Pb₂O₃→Pb₃O₄→PbO．现将a mol PbO₂加热分解，收集产生的O₂；向加热后所得固体中加入足量的浓盐酸，收集产生的Cl₂．加热反应后所得固体中，Pb²⁺占Pb元素的物质的量分数为x；两步反应中收集的O₂和Cl₂的物质的量之和为y mol．
试回答下列问题：
（1）试写出Pb₂O₃与浓盐酸反应的化学方程式Pb₂O₃+6HCl（浓）═2PbCl₂+Cl₂↑+3H₂O．
（2）用含x与a的表达式表示产生的O₂、Cl₂的物质的量n（O₂）=$\frac{ax}{2}$mol，n（Cl₂）=（1-x）a．
（3）写出y与a、x的函数关系式：y=（1-$\frac{x}{2}$）amol．
（4）若两步反应中O₂和Cl₂的物质的量之比为5：3，则剩余固体中含有的物质为Pb₃O₄、PbO；其物质的量之比为3：4．
（5）PbO₂和Pb经常作制造蓄电池的原材料，铅蓄电池的工作原理：
Pb+PbO₂+2H₂SO₄$?_{充电}^{放电}$2PbSO₄+2H₂O．现有一种生产NH₄NO₃的新工艺，电解NO制备NH₄NO₃，其工作原理如图所示，为使电解产物全部转化为NH₄NO₃，需补充物质A，A是NH₃，说明理由：根据总反应式：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$4NH₄NO₃+2HNO₃，电解产生的HNO₃多．
生产1吨硝酸铵需消耗Pb的物质的量是3881kg（保留到整数）．

Answer 1

分析 （1）Pb₂O₃中+3价的Pb具有强氧化性，能氧化浓盐酸，+3价的Pb被浓盐酸还原成+2价，确定生成物PbC1₂、C1₂、H₂O，再配平可得化学方程式；
（2）根据题意，确定反应物为PbO₂，写出方程式，再利用方程式进行计算求解；
（3）根据氧化还原反应的本质电子得失守恒求出n（O₂）、n（Cl₂），即得y与x的函数关系；
（4）根据两步反应中O₂和Cl₂的物质的量之比为3：5，求出x的值，确定出n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）的比值，再设法求解即可；
（5）电解NO制备NH₄NO₃，由图可知乙为阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，甲为阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，从两极反应可看出，要使得失电子守恒，阳极产生的NO₃^-的物质的量大于阴极产生的NH₄⁺的物质的量，总反应方程式为：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此若要使电解产物全部转化为NH₄NO₃，需补充NH₃，根据电子守恒计算．

解答 解：（1）Pb₂O₃中Pb的化合价只有+3，且+3价的Pb具有氧化性，能氧化浓盐酸生成C1₂，本身被还原成+2价Pb，生成PbC1₂，根据元素守恒得反应物与生成物并根据化合价升降法配平该氧化还原反应，得出Pb₂O₃+6HCl（浓）═2PbCl₂+Cl₂↑+3H₂O，
故答案为：Pb₂O₃+6HCl（浓）═2PbCl₂+Cl₂↑+3H₂O；
（2）根据题意：1mol PbO₂分解所得混合物中n（Pb²⁺）=x mol、n（Pb⁴⁺）=（1-x） mol．在反应过程中1mol PbO₂中+4价的Pb具有强氧化性作氧化剂，
+4价的Pb最终全部降低为+2价，根据得失电子守恒：先加热分解生成O₂，得n（O₂）=$\frac{2x}{4}$a=$\frac{x}{2}$amol；
后再与足量的浓盐酸反应生成Cl₂，得n（Cl₂）=a×$\frac{（1-x）×2}{2}$=（1-x）a mol，
故答案为：$\frac{ax}{2}$mol；a（1-x）mol；
（3）y=n（O₂）+n（Cl₂）=$\frac{x}{2}$mol+（1-x）a mol=（1-$\frac{x}{2}$）amol，故答案为：y=（1-$\frac{x}{2}$）amol；
（4）若两步反应中O₂和Cl₂的物质的量之比为5：3，根据上述分析：n（O₂）=a×$\frac{x}{2}$=mol，n（Cl₂）=a（1-x）mol，即 $\frac{x}{2}$：（1-x）=5：3，解得：x=$\frac{10}{13}$，则剩余固体中含pb²⁺的物质的量分数为$\frac{10}{13}$，含pb⁴⁺的物质的量分数为 $\frac{3}{13}$，即n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=10：3，
由题意，PbO₂不稳定逐步分解顺序：PbO₂→Pb₂O₃→Pb₃O₄→PbO．因为Pb的化合价只有+2、+4，所以Pb₂O₃可表示为PbO•PbO₂，Pb₃O₄可表示为2PbO•PbO₂，各氧化物中n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）的比值关系为：
PbO₂中，n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=0：1
Pb₂O₃中，n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=1：1
Pb₃O₄中，n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=2：1
PbO中，n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=1：0，
根据剩余固体中n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=10：3，介于3：1和4：1之间，所以此时剩余固体包括Pb₃O₄、PbO两种物质，
设剩余固体中Pb₃O₄物质的量为a、PbO物质的量为b，
得n（pb²⁺）=2a+b，n（pb⁴⁺）=a，
则（2a+b）：a=10：3
解得a：b=3：4，即Pb₃O₄：PbO=3：4，
故答案为：Pb₃O₄、PbO；3：4；
（5）电解NO制备NH₄NO₃，由图可知乙为阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，甲为阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，从两极反应可看出，要使得失电子守恒，阳极产生的NO₃^-的物质的量大于阴极产生的NH₄⁺的物质的量，总反应方程式为：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此若要使电解产物全部转化为NH₄NO₃，需补充NH₃；
由电子守恒可知：5NH₄NO₃～～～15e^-～～～$\frac{15}{2}$Pb
               5×80                $\frac{15}{2}$×207
               1000kg               xkg
解得x=$\frac{\frac{15}{2}×207×1000kg}{5×80}$=3881kg；
故答案为：NH₃；根据总反应式：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$4NH₄NO₃+2HNO₃，电解产生的HNO₃多；3881．

点评 本题考查氧化还原反应知识、电解原理的应用，利用化合价升降法配平，抓住本质电子的得失守恒是解题的关键，同时结合中间值确定反应产物．题目难度中等，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力和分析能力．