Question

11．某研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)通過(guò)查詢資料知道，鐵與濃度為1.15mol/L～1.25mol/L的硝酸反應(yīng)時(shí)可同時(shí)得到NO₂、NO、N₂三種氣體．他們欲利用下列儀器驗(yàn)證該結(jié)論的正確性（已知二氧化氮的沸點(diǎn)為21.1℃、熔點(diǎn)為-11℃，NO的沸點(diǎn)為-151℃、熔點(diǎn)為-164℃，假設(shè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每步轉(zhuǎn)化均是完全的）．
（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)先通過(guò)K處導(dǎo)管向裝置內(nèi)通入CO₂氣體以排除裝置內(nèi)空氣，目的是防止氧氣、氮?dú)鈱?duì)生成的NO、N₂的檢驗(yàn)產(chǎn)生干擾；若生成上述三種還原產(chǎn)物各0.02mol，則需要消耗鐵的質(zhì)量（硝酸足量）為5.23g．
（2）B中冰鹽水的作用是冷卻NO₂，使其液化，證明有NO₂生成的現(xiàn)象是B中試管有紅棕色液體出現(xiàn)．
（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在B中產(chǎn)生預(yù)期現(xiàn)象的同時(shí)C中溶液的顏色慢慢變淺，則C中最可能發(fā)生的反應(yīng)的離子方程式是5NO+4H⁺+3MnO₄^-=3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O；裝置D、E是用于（排液法）收集N₂，請(qǐng)完善裝置D（在原圖中進(jìn)行）．
（4）將等物質(zhì)的量的NO₂、NO通入冰凍的水中二者恰好反應(yīng)并得到一種酸X，則X的化學(xué)式為HNO₂．有同學(xué)認(rèn)為，不能根據(jù)X與Na₂SO₃溶液反應(yīng)的情況比較X的酸性與亞硫酸的酸性的相對(duì)強(qiáng)弱，該同學(xué)的理由是HNO₂能氧化SO₃^2-．

Answer 1

分析 探究鐵與濃度為1.15mol/L～1.25mol/L的硝酸反應(yīng)可同時(shí)得到NO₂、NO、N₂三種氣體，若二氧化氮?dú)怏w，NO₂沸點(diǎn)為21.1℃，經(jīng)過(guò)冰鹽水冷卻生成的氣體，出現(xiàn)紅棕色液體，C中盛放酸性高錳酸鉀，若出現(xiàn)高錳酸鉀褪色，說(shuō)明有NO生成，氧化反應(yīng)為：5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O，最后采用排水法測(cè)定剩余的氮?dú)猓?br />（1）根據(jù)空氣中含氮?dú)夂脱鯕饧癗O遇空氣中的氧氣就反應(yīng)生成NO₂分析；根據(jù)得失電子守恒計(jì)算消耗鐵的質(zhì)量；
（2）根據(jù)以上分析，二氧化氮為紅棕色氣體，冰鹽水冷卻生成的氣體，出現(xiàn)有色液體；
（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在D中產(chǎn)生預(yù)期現(xiàn)象的同時(shí)，C中溶液顏色慢慢褪去，為NO和高錳酸根離子反應(yīng)氧化還原反應(yīng)，根據(jù)質(zhì)量守恒和得失電子守恒配平；
（4）將等物質(zhì)的量的NO₂、NO混合后通入低溫下的水中發(fā)生價(jià)態(tài)歸中反應(yīng)生成亞硝酸；比較X的酸性與亞硫酸的酸性的相對(duì)強(qiáng)弱，利用強(qiáng)酸制弱酸的原理．

解答 解：（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理檢驗(yàn)鐵與濃度為1.15mol/L～1.25mol/L的硝酸反應(yīng)時(shí)可同時(shí)得到NO₂、NO、N₂三種氣體，又空氣中含氮?dú)夂脱鯕饧癗O遇空氣中的氧氣就反應(yīng)生成NO₂，所以裝置中的空氣對(duì)生成的NO、N₂的檢驗(yàn)產(chǎn)生干擾，則實(shí)驗(yàn)時(shí)先通過(guò)K處導(dǎo)管向裝置內(nèi)通入CO₂氣體以排除裝置內(nèi)空氣；
若生成上述三種還原產(chǎn)物各0.02mol，根據(jù)得失電子守恒，則需要消耗鐵的質(zhì)量（硝酸足量）為$\frac{0.02×（5-4）+0.02（5-2）+0.02×（5-0）×2}{3}$×56=5.23g；
故答案為：防止氧氣、氮?dú)鈱?duì)生成的NO、N₂的檢驗(yàn)產(chǎn)生干擾；5.23；
（2）根據(jù)以上分析，二氧化氮為紅棕色氣體，冰鹽水冷卻NO₂，使其液化，出現(xiàn)有色液體，所以證明有NO₂生成的現(xiàn)象是B中試管有紅棕色液體出現(xiàn)；
故答案為：冷卻NO₂，使其液化；B中試管有紅棕色液體出現(xiàn)；
（3）C中溶液顏色慢慢褪去，為NO和高錳酸根離子反應(yīng)氧化還原反應(yīng)，該反應(yīng)中，反應(yīng)中物質(zhì)的化合價(jià)變化：MnO₄^-→Mn²⁺，Mn元素化合價(jià)由+7價(jià)→+2價(jià)，一個(gè)MnO₄^-得5個(gè)電子；NO→NO₃^-，N由+2價(jià)變成+5價(jià)，一個(gè)NO分子失去3個(gè)電子，所以其最小公倍數(shù)為15，故MnO₄^-的計(jì)量數(shù)為3，NO的計(jì)量數(shù)為5，然后根據(jù)原子守恒配平其它元素，配平后的離子方程式為：5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O，
故答案為：5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O；
（4）將等物質(zhì)的量的NO₂、NO混合后通入低溫下的水中發(fā)生價(jià)態(tài)歸中反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：NO₂+NO+H₂O=2HNO₂，所以X的化學(xué)式為HNO₂；
比較X的酸性與亞硫酸的酸性的相對(duì)強(qiáng)弱，利用強(qiáng)酸制弱酸的原理，又HNO₂具有氧化性，而Na₂SO₃溶液具有強(qiáng)還原性，所以兩者發(fā)生氧化還原反應(yīng)，沒(méi)有發(fā)生
強(qiáng)酸制弱酸的反應(yīng)；
故答案為：HNO₂；HNO₂能氧化SO₃^2-．

點(diǎn)評(píng) 本題考查性質(zhì)方案的設(shè)計(jì)，題目難度中等，涉及反應(yīng)產(chǎn)物的測(cè)定、對(duì)實(shí)驗(yàn)原理與裝置的理解、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等知識(shí)，題理解實(shí)驗(yàn)原理是解題的關(guān)鍵，是對(duì)知識(shí)的綜合考查，需要學(xué)生具有知識(shí)的基礎(chǔ)與綜合運(yùn)用知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力．