Question

11．某研究性学习小组的同学通过查询资料知道，铁与浓度为1.15mol/L～1.25mol/L的硝酸反应时可同时得到NO₂、NO、N₂三种气体．他们欲利用下列仪器验证该结论的正确性（已知二氧化氮的沸点为21.1℃、熔点为-11℃，NO的沸点为-151℃、熔点为-164℃，假设实验过程中的每步转化均是完全的）．
（1）实验时先通过K处导管向装置内通入CO₂气体以排除装置内空气，目的是防止氧气、氮气对生成的NO、N₂的检验产生干扰；若生成上述三种还原产物各0.02mol，则需要消耗铁的质量（硝酸足量）为5.23g．
（2）B中冰盐水的作用是冷却NO₂，使其液化，证明有NO₂生成的现象是B中试管有红棕色液体出现．
（3）实验过程中，发现在B中产生预期现象的同时C中溶液的颜色慢慢变浅，则C中最可能发生的反应的离子方程式是5NO+4H⁺+3MnO₄^-=3Mn²⁺+5NO₃^-+2H₂O；装置D、E是用于（排液法）收集N₂，请完善装置D（在原图中进行）．
（4）将等物质的量的NO₂、NO通入冰冻的水中二者恰好反应并得到一种酸X，则X的化学式为HNO₂．有同学认为，不能根据X与Na₂SO₃溶液反应的情况比较X的酸性与亚硫酸的酸性的相对强弱，该同学的理由是HNO₂能氧化SO₃^2-．

Answer 1

分析 探究铁与浓度为1.15mol/L～1.25mol/L的硝酸反应可同时得到NO₂、NO、N₂三种气体，若二氧化氮气体，NO₂沸点为21.1℃，经过冰盐水冷却生成的气体，出现红棕色液体，C中盛放酸性高锰酸钾，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，最后采用排水法测定剩余的氮气，
（1）根据空气中含氮气和氧气及NO遇空气中的氧气就反应生成NO₂分析；根据得失电子守恒计算消耗铁的质量；
（2）根据以上分析，二氧化氮为红棕色气体，冰盐水冷却生成的气体，出现有色液体；
（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）将等物质的量的NO₂、NO混合后通入低温下的水中发生价态归中反应生成亚硝酸；比较X的酸性与亚硫酸的酸性的相对强弱，利用强酸制弱酸的原理．

解答 解：（1）根据实验原理检验铁与浓度为1.15mol/L～1.25mol/L的硝酸反应时可同时得到NO₂、NO、N₂三种气体，又空气中含氮气和氧气及NO遇空气中的氧气就反应生成NO₂，所以装置中的空气对生成的NO、N₂的检验产生干扰，则实验时先通过K处导管向装置内通入CO₂气体以排除装置内空气；
若生成上述三种还原产物各0.02mol，根据得失电子守恒，则需要消耗铁的质量（硝酸足量）为$\frac{0.02×（5-4）+0.02（5-2）+0.02×（5-0）×2}{3}$×56=5.23g；
故答案为：防止氧气、氮气对生成的NO、N₂的检验产生干扰；5.23；
（2）根据以上分析，二氧化氮为红棕色气体，冰盐水冷却NO₂，使其液化，出现有色液体，所以证明有NO₂生成的现象是B中试管有红棕色液体出现；
故答案为：冷却NO₂，使其液化；B中试管有红棕色液体出现；
（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）将等物质的量的NO₂、NO混合后通入低温下的水中发生价态归中反应，反应方程式为：NO₂+NO+H₂O=2HNO₂，所以X的化学式为HNO₂；
比较X的酸性与亚硫酸的酸性的相对强弱，利用强酸制弱酸的原理，又HNO₂具有氧化性，而Na₂SO₃溶液具有强还原性，所以两者发生氧化还原反应，没有发生
强酸制弱酸的反应；
故答案为：HNO₂；HNO₂能氧化SO₃^2-．

点评 本题考查性质方案的设计，题目难度中等，涉及反应产物的测定、对实验原理与装置的理解、实验方案设计等知识，题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．