Question

(14分)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)工业上用水吸收二氧化氮生产硝酸，生成的气体经过多次氧化、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，试写出NO₂→HNO₃转化率与循环操作的次数n之间关系的数学表达式。

③ 计算一定量的二氧化氮气体要经过多少次循环操作，才能使95％的二氧化氮转变为硝酸？

(2) 上述方法制备的HNO₃为稀硝酸，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，液相产物有Mg(NO₃)₂，NH₄NO₃和H₂O。生成这些产物的HNO₃浓度范围为：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。各气相产物成分及含量随HNO₃浓度变化曲线如下图所示。

④ 写出Mg与11 mol/L的HNO₃反应的方程式；

                                                                   

⑤ 960 mg Mg与一定体积4 mol/L的HNO₃恰好完全反应，收集到224 mL气体(S.T.P)气体，试通过计算写出反应方程式。

Answer 1

(1) (8分)

① (2分)3NO₂+H₂O2HNO₃+NO；2NO+O₂=2NO₂

② (3分)设起始时NO₂物质的量为1 mol，经过n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－1，经等比数列求和得Sn=1－(1/3)n。因此，NO₂→HNO₃转化率为[1－(1/3)n]/1′100%

③ (3分)[1－(1/3)n]/1′100%=95%，因此，n=2.6≈3，要经过3次循环操作才能使95%的NO₂转化为HNO₃

(2) (7分)

④ (2分)Mg+4HNO₃Mg(NO₃)₂+2NO₂↑+2H₂O

⑤ (5分)由图象可知：n(NO):n(N₂):n(NO₂):n(H₂)=5:3:1:1，同时还原产物还有NH₄⁺，并通过得失电子相等确定与前者的关系。

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