题目内容
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
②480mg Mg与0.50L 4.0mol/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．
分析：（1）①NO2与水反应生成HNO3和NO，又NO能被O2氧化为NO2；
②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+??????+
×（
）nn-1，经等比数列求和可得，再根据转化率公式求算出转化率a与循环次数n之间关系；
（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，根据得失电子守恒和原子守恒写出方程式；
②480mg Mg与0.50L 4.0mol/L的HNO3充分反应，Mg的物质的量比较少，反应中硝酸过量，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+，根据Mg失去电子总数与气体得到电子数之差，求出NH4+的量，再通过原子守恒配平方程．
②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=
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（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，根据得失电子守恒和原子守恒写出方程式；
②480mg Mg与0.50L 4.0mol/L的HNO3充分反应，Mg的物质的量比较少，反应中硝酸过量，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+，根据Mg失去电子总数与气体得到电子数之差，求出NH4+的量，再通过原子守恒配平方程．
解答：解：（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+??????+
×（
）nn-1，经等比数列求和可得：Sn=1-（
）nn，则NO2生成HNO3转化率为：
=a，即a=1-（
）nn；
故答案为：a=1-（
）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×
=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×
=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．
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=
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故答案为：a=1-（
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（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×
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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×
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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．
点评：本题考查了二氧化氮与水制备硝酸的反应，氧化还原方程式的配平等，题目难度很大，要求学生对氧化还原反应掌握比较深入，同时有比较好的数学功底．
练习册系列答案
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硝酸是极其重要的化工原料，工业上将产生的NO2在密闭容器中用水多次反复循环吸收制备硝酸．
