Question

在500mL 某浓度的硝酸溶液中加入20g铁粉，充分反应后，将反应液过滤、洗涤、干燥，称得固体质量为3.2g，产生的NO₂和NO气体经测定为8.96L（标准状况）．
（1）混合气体中NO₂和NO体积比为______；
（2）所用HNO₃的物质的量浓度为______mol/L；
（3）如图，若将上述反应产生的混合气体加入n mol氧气一起通入水中，配成100mL溶液，所得硝酸溶液的物质的量浓度（c）与加入氧气的物质的量（n）的关系．
①a 点的数值是______mol；
②当n=0.12mol时，所得硝酸溶液的物质的量浓度______；
③通过计算，求出所得硝酸溶液的物质的量浓度（c）与加入氧气的物质的量（n）的关系式______，______．（写出计算过程）

Answer

（1）根据n=计算参加反应的Fe的物质的量，根据n=计算混合气体的物质的量，铁剩余，硝酸完全反应，反应生成硝酸亚铁，令NO2和NO的物质的量分别为xmol、ymol，根据电子转移守恒与二者物质的量之和列方程，据此计算解答；
（2）根据N元素守恒可知n（HNO3）=2n[Fe（NO3）2]+n（NO+NO2），据此计算；
（3）①a点NO2和NO气体完全反应，根据电子注意守恒，氧气获得的电子等于参加反应的铁提供的电子，据此计算氧气的物质的量；
②根据①中a的值，判断发生的反应，若0.12≥a，则根据N元素守恒计算，生成的硝酸；
若0.12＜a，根据混合气体中NO2和NO气体比例关系，写出混合气体与氧气反应的总反应方程式，还发生二氧化氮与水反应，根据氧气计算生成的硝酸、剩余的NO2和NO混合气体的物质的量，再计算二氧化氮与水反应生成的硝酸的物质的量，再根据c=计算硝酸浓度；
③根据混合气体中NO2和NO气体比例关系，写出混合气体与氧气反应的总反应方程式，据此讨论：
A、当n（O2）≥0.15mol时，NO2和NO完全反应，根据N元素计算生成硝酸物质的量，再根据c=计算硝酸浓度；
B、当0＜n（O2）≤0.15mol时，氧气不足量，还发生二氧化氮与水反应，根据氧气计算生成的硝酸、剩余的NO2和NO混合气体的物质的量，再计算二氧化氮与水反应生成的硝酸的物质的量，再根据c=计算硝酸浓度．
【解析】
（1）因为铁粉有剩余，所以溶液中存在的一定是Fe（NO3）2，参加反应的n（Fe）==0.3mol，
n（NO+NO2）==0.4mol，
令NO2和NO的物质的量分别为xmol、ymol，则：
，解得x=0.3，y=0.1，
故混合气体中NO2和NO体积比为0.3mol：0.1mol=3：1
故答案为：3：1；
（2）因为铁粉有剩余，所以溶液中存在的一定是Fe（NO3）2，由（1）中参加反应的n（Fe）=0.3mol，则n[Fe（NO3）2]=0.3mol，n（NO+NO2）=0.4mol，根据N元素守恒：n（HNO3）=2n[Fe（NO3）2]+n（NO+NO2）=0.3mol×2+0.4mol=1mol，
故：c（HNO3）==2mol/L，
故答案为：2；
（3）①由图可知，a点NO2和NO气体完全反应，根据电子注意守恒，氧气获得的电子等于参加反应的铁提供的电子，由（1）中可知参加反应的n（Fe）=0.3mol，反应生成Fe（NO3）2，故a点氧气的物质的量为=0.15mol，
故答案为：0.15；
②由（1）可知混合气体中NO2和NO体积比为3：1，故与氧气一起通入水中，总反应式为6NO2+2NO+3O2+4H2O=8HNO3，
由于0.12＜a，故氧气不足，由总反应方程式可知，氧气完全反应生成硝酸为0.12mol×=0.32mol，消耗NO2为0.12mol×=0.24mol，故剩余NO2为0.3mol-0.24mol=0.06mol，故发生反应3NO2+H2O=2HNO3+NO，又生成硝酸为0.06mol×=0.04mol，故共生成硝酸0.32mol+0.04mol=0.36mol，所得硝酸的浓度为：=3.6mol/L，
故答案为：3.6mol/L；
③A、当n（O2）≥0.15mol时，氧气足量，NO2和NO完全反应，N元素可知生成硝酸物质的量n（HNO3）=+n（NO+NO2）=0.4mol，故c（HNO3）==4mol/L，
B、当0＜n（O2）≤0.15mol时，氧气不足量，由6NO2+2NO+3O2+4H2O=8HNO3可知，氧气完全反应生成硝酸为nmol×=mol，消耗NO2为nmol×=2nmol，故剩余NO2为0.3mol-2n mol=（0.3-2n）mol，故发生反应3NO2+H2O=2HNO3+NO，又生成硝酸为（0.3-2n）mol×=（0.2-）mol，故共生成硝酸mol+（0.2-）mol=（0.2+）mol，故c（HNO3）==（2+）mol/L，
故答案为：n≥0.15mol、c（HNO3）=4mol/L；0＜n≤0.15mol、c（HNO3）=（2+）mol/L．