Question

20．薛文同学通过查询资料知道，一定浓度的硝酸与Mg反应时，可同时得到NO₂、NO、N₂三种气体．该同学欲用下列仪器组装装置来直接验证有NO₂、NO生成并制取氮化镁．（假设实验中每步转化均是完全的）
查阅文献得知：①NO₂沸点为21.1℃、熔点为-11℃，NO沸点为-151℃、熔点为-164℃；
②镁也能与CO₂反应；
③氮化镁遇水剧烈水解生成Mg（OH）₂和氨气．

（1）实验中先打开开关K，通过导管向装置内通入CO₂气体以排出装置内的空气，停止通入CO₂的标志是E中出现白色沉淀．
（2）为实现上述实验目的，所选用的仪器的正确连接方式是：A→D→C→F→B→F→E，确定还原产物中有NO₂的现象是A中有红棕色气体产生（或D中出现有色液体），实验中要多次使用装置F，第二次使用F的目的是防止水蒸气进入B导致氮化镁水解．
（3）实验过程中，发现在D中产生预期现象的同时，C中溶液颜色慢慢褪去，试写出C中反应的离子方程式．5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O
（4）薛文同学在A中开始反应时，马上点燃B处的酒精灯，实验结束后通过测试发现B处的产品纯度不高，原因是装置中充满CO₂，而加热时CO₂也能与Mg反应．
（5）设计一种实验方案，验证镁与硝酸反应时确实有氮气生成取少量B中反应后的固体放入试管中，再向试管中滴加适量的水并将湿润的红色石蕊试纸靠近试管口处，试纸变蓝．

Answer 1

分析 探究一定浓度的硝酸与Mg反应产物：A三颈烧瓶中为镁和硝酸反应，可能得到NO₂、NO、N₂三种气体，若二氧化氮气体，A中有红棕色气体产生，NO₂沸点为21.1℃，经过D装置冰盐水冷却生成的气体，D中出现有色液体，C中盛放1%的酸性高锰酸钾，若出现高锰酸钾褪色，说明有NO生成，氧化反应为：5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O，经过装置F进行气体干燥，然后进入装置B进行镁和氮气的反应，再经过装置F，防止水蒸气进入B导致氮化镁水解，最后用氢氧化钡吸收尾气．
（1）E装置在该实验中为吸收尾气装置，实验中先打开开关K，通过导管向装置内通入CO₂气体以排出装置内的空气，当E中出现白色沉淀，说明二氧化碳已经充满整个装置；
（2）根据实验装置中的药品及实验的目的确定所选用的仪器的正确连接方式，二氧化氮为红棕色气体，确定还原产物中有NO₂的现象是A中有红棕色气体产生（或D中出现有色液体），氮化镁易水解，第二次使用F的目的是防止水蒸气进入B导致氮化镁水解；
（3）实验过程中，发现在D中产生预期现象的同时，C中溶液颜色慢慢褪去，为NO和高锰酸根离子反应氧化还原反应，根据质量守恒和得失电子守恒配平；
（4）根据镁能和二氧化碳反应分析，镁条与二氧化碳反应会生成碳与氧化镁；
（5）检验氮气的生成，可通过检验氮气和镁反应的产物氮化镁，氮化镁易水解生成氢氧化镁和氨气，根据检验氨气的存在间接检验氮气．

解答 解：（1）探究一定浓度的硝酸与Mg反应产物，E装置在该实验中为吸收尾气装置，实验中先打开开关K，通过导管向装置内通入CO₂气体以排出装置内的空气，当E中出现白色沉淀，说明二氧化碳已经充满整个装置，已经全部排出装置内的空气，需停止通入CO₂，
故答案为：E中出现白色沉淀；
（2）探究一定浓度的硝酸与Mg反应产物：A三颈烧瓶中为镁和硝酸反应，可能得到NO₂、NO、N₂三种气体，若二氧化氮气体，A中有红棕色气体产生，经过D装置冰盐水冷却生成的气体，D中出现有色液体，C中盛放1%的酸性高锰酸钾，若出现高锰酸钾褪色，说明有NO生成，氧化反应为：5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O，经过装置F进行气体干燥，然后进入装置B进行镁和氮气的反应，再经过装置F，防止水蒸气进入B导致氮化镁水解，最后用氢氧化钡吸收尾气，所选用的仪器的正确连接方式是：A→D→C→F→B→F→E，氮化镁易水解，第二次使用F的目的是防止水蒸气进入B导致氮化镁水解，
故答案为：D→C→F→B→F；防止水蒸气进入B导致氮化镁水解；
（3）C中溶液颜色慢慢褪去，为NO和高锰酸根离子反应氧化还原反应，该反应中，反应中物质的化合价变化：MnO₄^-→Mn²⁺，Mn元素化合价由+7价→+2价，一个MnO₄^-得5个电子；NO→NO₃^-，N由+2价变成+5价，一个NO分子失去3个电子，所以其最小公倍数为15，故MnO₄^-的计量数为3，NO的计量数为5，然后根据原子守恒配平其它元素，配平后的离子方程式为：5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O，
故答案为：5NO+4H⁺+3MnO₄^-═3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O；
（4）镁条与二氧化碳发生置换反应，生成碳与氧化镁，反应为2Mg+CO₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2MgO+C，所以在A中开始反应时，马上点燃B处的酒精灯，实验结束后通过测试发现B处的产品纯度不高，原因是装置中充满CO₂，而加热时CO₂也能与Mg反应，
故答案为：装置中充满CO₂，而加热时CO₂也能与Mg反应；
（5）镁与硝酸反应时若有氮气生成，则生成的氮气和镁反应生成氮化镁，氮化镁易水解生成氨气，所以取少量B中反应后的固体放入试管中，再向试管中滴加适量的水并将湿润的红色石蕊试纸靠近试管口处，试纸变蓝，说明有氮气生成，
故答案为：取少量B中反应后的固体放入试管中，再向试管中滴加适量的水并将湿润的红色石蕊试纸靠近试管口处，试纸变蓝．

点评 本题考查反应产物的测定、对实验原理与装置的理解、实验方案设计等，题目难度中等，理解实验原理是解题的关键，是对知识的综合考查，需要学生具有知识的基础与综合运用知识分析问题、解决问题的能力．