内容正文:
专题7 氮与社会可持续发展
第二单元 重要的含氮化工原料
第2课时 硝酸的性质
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专题7 氮与社会可持续发展
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知识整合 新知探究
01
随堂演练 巩固落实
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课时作业 知能达标
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液
刺激性
易
有
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光照
加热
棕色
溶有NO2
棕色细口
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Au、Pt
Fe、Al
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
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浓硝酸
浓盐酸
金、铂
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氧化剂
还原剂
2NO+O2===2NO2
还原剂
3NO2+H2O===2HNO3+NO
既是氧化剂又是还原剂
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将NO2与足量O2(或空气)混合后通入水中,反应方程式:4NO2+O2+2H2O===4HNO3
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NO2
NO
强氧化性
酸性
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答案 C
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HCl+NH3===NH4Cl、
NH3+HNO3===NH4NO3、2NH3+H2SO4===(NH4)2SO4
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专题7 氮与社会可持续发展
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课程目标
核心素养
1.掌握硝酸的性质及主要用途。
2.了解HNO3的工业制法。
3.了解HNO3与氧化还原反应的计算。
1.科学探究与创新意识
通过对浓、稀硝酸与铜反应的实验探究,培养学生发现问题,敢于质疑,勇于创新的探究能力。
2.科学态度与社会责任
通过对硝酸工业生产中污染物的产生和治理,逐步培养“绿色化学”意识。
知识点一 硝酸
1.硝酸的物理性质
颜色
状态
气味
溶解性
挥发性
无色
______态
__________气味
______溶于水
______挥发性
2.硝酸的化学性质
(1)硝酸的不稳定性
①硝酸的不稳定性:HNO3在______或______条件下会分解,硝酸浓度越大越容易分解。反应方程式为__________________________________。所以HNO3应盛放在________试剂瓶中;浓硝酸呈黄色是由于____________的缘故。
②在实验室里,见光易分解的试剂一般盛放在____________瓶中。
4HNO3eq \o(=====,\s\up17(△),\s\do15(或光照))4NO2↑+2H2O+O2↑
(2)强氧化性
①与金属的反应
a.除______________以外的绝大多数金属都能与硝酸反应。
b.常温下,冷的浓硝酸能使______________钝化。
c.与铜反应(写出化学方程式)。
浓硝酸:______________________________________________;
稀硝酸:______________________________________________。
②与非金属反应
木炭与浓硝酸反应的化学方程式为
______________________________________________。
③王水
a.组成:__________和__________的混合物,体积比为1∶3。
b.性质:能使不溶于硝酸的金属如__________等溶解。
C+4HNO3(浓)eq \o(=====,\s\up17(△))CO2↑+4NO2↑+2H2O
[特别提醒] 碱性、中性条件下,NOeq \o\al(-,3)无氧化性,但在酸性条件下,NOeq \o\al(-,3)能表现出强氧化性。
3.硝酸的用途
硝酸用途广泛,是制炸药、染料、塑料的原料,也是化学实验室的必备试剂。
4.硝酸的工业制法
工业上制取硝酸的原理是将氮气经过一系列反应得到硝酸,其流程如下图所示:
eq \x(N2)
eq \o(——→,\s\up17(H2),\s\do15(①))
eq \x(NH3)
eq \o(——→,\s\up17(O2),\s\do15(②))
eq \x(NO)
eq \o(——→,\s\up17(O2),\s\do15(③))
eq \x(NO2)
eq \o(——→,\s\up17(H2O),\s\do15(④))
eq \x(HNO3)
(1)写出上述标号反应的化学方程式,并指出反应物中含氮物质在反应中起的作用。(氧化剂、还原剂)
①________________________________,__________;
②________________________________,__________;
③____________________,__________;
④______________________________,________________________。
N2+3H2eq \o(,\s\up17(高温、高压),\s\do15(催化剂))2NH3
4NH3+5O2eq \o(=====,\s\up17(催化剂),\s\do15(△))4NO+6H2O
(2)过程④中氮元素的转化率只有66.7%,采取何种措施可以提高氮元素的转化率?写出反应的化学方程式。
____________________________________________________________ _____________________。
1.将铜片置于两支具支试管的底部(见下图),通过分液漏斗分别加入2 mL浓、稀硝酸。
(1)两支具支试管中观察到的实验现象是否完全相同?反应中浓硝酸、稀硝酸起什么作用?
提示 不相同。加入浓硝酸的具支试管中出现的现象是铜片表面产生气泡,铜片溶解,溶液变蓝,具支试管上部空间无色变红棕色。加入稀硝酸的具支试管出现的现象是铜片表面产生气泡,铜片溶解,溶液变蓝,具支试管上部空间气体由无色变红棕色,后又变成无色。两支具支试管中浓、稀硝酸既表现出氧化性,又表现出酸性。
(2)分析两支具支试管中发生反应的氮元素的价态变化,思考硝酸的浓度对还原产物有何影响?
提示 反应中,浓硝酸的还原产物是NO2,稀硝酸的还原产物是NO,即硝酸的浓度越低,还原产物的价态越低。
2.m g铜与足量的一定浓度的硝酸反应,生成V L NO、NO2的混合气体(标准状况下),则参加反应的HNO3的物质的量是多少?
提示 被还原的硝酸无论是生成NO还是NO2,均有N原子与HNO3的物质的量相等。未被还原(起酸性作用)的硝酸等于Cu(NO3)2物质的量的2倍,故参加反应的硝酸的物质的量为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(V,22.4)+\f(m,32)))mol。
3.探究稀硝酸与变价金属铁的反应情况。
(1)少量的Fe与足量稀硝酸反应,Fe被氧化成Fe2+还是Fe3+?写出反应的化学方程式。
提示 HNO3过量时,铁被氧化成Fe3+,反应方程式为:Fe+4HNO3(稀)===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O。
(2)足量的Fe与一定量的稀HNO3反应,Fe元素以Fe2+形式存在还是以Fe3+形式存在?写出反应的化学方程式。
提示 Fe过量时,Fe元素以Fe2+形式存在,反应方程式为3Fe+8HNO3(稀)===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O。
硝酸的强氧化性
(1)本质
HNO3中的+5价氮元素具有很强的得电子能力。
(2)规律
①硝酸的浓度越大,反应温度越高,其氧化性越强。
②还原剂一般被氧化成最高价态。
(3)具体表现
①硝酸与金属的反应:
a.除Au、Pt等少数金属外,硝酸几乎可以氧化所有的金属。
如3Ag+4HNO3(稀)===3AgNO3+NO↑+2H2O。
b.活泼金属与HNO3反应不生成H2,HNO3的浓度不同,还原产物不同。
c.常温下浓硝酸能使Fe、Al钝化。
②硝酸与非金属的反应:
反应规律:非金属单质+浓硝酸eq \o(——→,\s\up17(△))最高价氧化物或含氧酸+NO2↑+H2O,如C+4HNO3(浓)eq \o(=====,\s\up17(△))CO2↑+4NO2↑+2H2O。
③硝酸与还原性化合物的反应:
硝酸的强氧化性还表现在可以氧化具有还原性的离子或化合物,如 Fe2+、I-、S2-、SOeq \o\al(2-,3)及HI、SO2、H2S等均能被HNO3氧化。
1.在下列反应中,HNO3既表现出氧化性,又表现出酸性的是( )
A.H2S+2HNO3===S↓+2NO2↑+2H2O
B.CuO+2HNO3===Cu(NO3)2+H2O
C.4HNO3eq \o(=====,\s\up17(光照))4NO2↑+O2↑+2H2O
D.3Cu+8HNO3===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
解析 A项,N元素化合价只降低,HNO3只表现出氧化性;B项,N元素化合价不变,HNO3只表现出酸性;C项,N元素化合价降低,O元素化合价升高,HNO3既表现出氧化性,又表现出还原性;D项,N元素部分变价,HNO3既表现出氧化性,又表现出酸性。
答案 D
2.某研究性学习小组设计如图所示装置,用浓硝酸、铜片、水三种试剂进行实验,探究浓、稀硝酸的强氧化性并观察它们的还原产物。
[实验探究]
(1)探究浓硝酸的强氧化性:将铜片置于具支试管的底部,在分液漏斗中加入约5 mL浓硝酸,往具支试管中滴加约2 mL浓硝酸,用排水法收集产生的气体。
①实验中观察到的能证明浓硝酸具有强氧化性的现象是__________________________________________________________。
②具支试管中发生反应的化学方程式为______________________。
(2)探究稀硝酸的强氧化性:
①上述反应完成后,欲进一步证明稀硝酸也具有强氧化性,紧接的简便、合理的实验操作是_________________________________________。
②能证明稀硝酸与铜反应的还原产物为NO的实验现象是____________(填字母序号)。
A.c中收集到的无色气体接触空气后变为红棕色
B.b中产生的无色气体接触空气后变为红棕色
[实验反思]
(3)某同学提出,实验过程中若操作不慎,易出现倒吸现象。对该实验装置进行改进的方案:可在b与c之间连接________________________ ____________________________。
(4)利用该装置先进行铜与浓硝酸反应,再进行铜与稀硝酸反应的实验顺序的合理性是___________________________________________。
[问题讨论]
(5)在用等质量的铜片与等体积的浓硝酸、稀硝酸(硝酸均过量)反应时,发现反应后所得溶液前者呈绿色,后者呈蓝色。针对此现象,同学们提出两种意见:
①两溶液颜色不同是Cu2+浓度的差异引起的;
②前者溶液呈绿色,是因为生成的红棕色NO2又溶于溶液中。
你认为意见____________(填“①”或“②”)合理。(注:若填①,下题中只答Ⅰ,若选填②,下题中只答Ⅱ)
Ⅰ.如果你认为①合理,理由是_________________________________。
Ⅱ.如果你认为②合理,请设计一个简单的实验进行验证:
__________________________________________________________
__________________________________________________________。
解析 (5)因Cu的质量相等,且浓、稀硝酸均过量,Cu完全反应生成的Cu(NO3)2的浓度相等,溶液中的c(Cu2+)应相等,可见①不合理,②合理。前者溶液呈绿色是由红棕色NO2溶于溶液中引起的,只要将NO2除去或在Cu与稀硝酸反应后的溶液中通入NO2即可证明。
答案 (1)①b中溶液变蓝,有红棕色气体生成
②Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
(2)①向分液漏斗中加水稀释浓硝酸,打开活塞,向具支试管中滴加稀硝酸 ②B
(3)防倒吸装置(其他答案合理均可)
(4)利用Cu与浓硝酸反应生成的NO2排出具支试管中的空气,有利于观察Cu与稀硝酸反应的还原产物
(5)② Ⅱ.向显蓝色的Cu(NO3)2溶液中通入NO2,得绿色溶液或加热绿色溶液,有红棕色气体产生,溶液成蓝色
知识点二 金属与硝酸反应的计算方法
1.反应规律
(1)硝酸与金属反应一般不生成H2,浓HNO3被还原成________,稀HNO3被还原成________,HNO3起____________和________作用。
(2)Cu与硝酸反应
Cu与浓HNO3反应时,若Cu足量,开始时还原产物为NO2,随着反应的进行,浓HNO3变稀,还原产物变为NO,最终得到NO2与NO的混合气体。
(3)Fe有+2价和+3价,Fe与稀HNO3反应的化学方程式为Fe+4HNO3===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O、3Fe+8HNO3===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O。由上述反应可知铁与稀硝酸的量与产物的关系为:
eq \f(nFe,nHNO3)
产物
≤eq \f(1,4)
Fe(NO3)3
eq \f(1,4)<eq \f(nFe,nHNO3)<eq \f(3,8)
Fe(NO3)3和Fe(NO3)2
≥eq \f(3,8)
Fe(NO3)2
上述关系也可以表示成如下形式:
2.思维模型
金属与硝酸反应的计算——四个守恒、一个关系
(1)四个守恒
①电子守恒:金属失电子的物质的量=n(NO2)+3n(NO)。
②氮原子守恒:n(HNO3)消耗=x·n[M(NO3)x]+n(NO2)+n(NO)。
③电荷守恒:反应后溶液中c(NOeq \o\al(-,3))=x·c(Mx+)+c(H+)。
④若向反应后所得溶液中加入NaOH恰好使Mx+沉淀完全,此时溶质为NaNO3,则存在n(Na+)=n(NOeq \o\al(-,3))=n(HNO3)总-n(NO)-n(NO2)。
(2)一个关系
起酸性作用的HNO3的物质的量是金属物质的量和金属所带电荷数的乘积,可表示为n(HNO3)酸性=x·n(Mx+)=n(转移电子)。
1.38.4 mg铜跟适量的浓硝酸反应,铜全部作用后,共收集到22.4 mL(标准状况)气体,则反应消耗的硝酸的物质的量可能是( )
A.1.0×10-3 mol
B.1.6×10-3 mol
C.2.2×10-3 mol
D.2.4×10-3 mol
解析 浓硝酸适量,在反应过程中浓度变小,实际上发生了两个反应:Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O,3Cu+8HNO3(稀)===
3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,反应消耗的HNO3包括起酸性作用和起强氧化剂作用的两部分,前者反应后以Cu(NO3)2形式存在,后者被还原后生成NO2、NO气体,从两个方程式看出:Cu+2HNO3(酸)~Cu(NO3)2,HNO3(氧化剂)~NO2(或NO),所以反应消耗的HNO3的物质的量为:eq \f(38.4×10-3 g,64 g·mol-1)×2+eq \f(22.4×10-3 L,22.4 L·mol-1)=2.2×10-3 mol。
2.将32.0 g Cu投入50 mL 12 mol·L-1的浓硝酸中,充分反应后,收集到4.48 L(标准状况)NO和NO2的混合气体。
(1)被还原的硝酸的物质的量是____________mol。
(2)判断32.0 g Cu和50 mL 12 mol·L-1的硝酸反应后有剩余的是____________,剩余的物质的物质的量为____________,生成的NO气体的体积为(标准状况下)____________。
(3)如果往反应后的体系内再加入100 mL 2 mol·L-1的稀硫酸,充分反应后又有气体逸出。写出反应的离子方程式并用单线桥法表示电子转移的方向和数目____________。
解析 (1)根据N原子守恒,被还原的硝酸的物质的量:n(HNO3)=n(NOx)=eq \f(4.48 L,22.4 L·mol-1)=0.2 mol。(2)32.0 g Cu的物质的量n(Cu)=eq \f(32.0 g,64 g·mol-1)=0.5 mol,50 mL 12 mol·L-1浓硝酸中硝酸的物质的量n(HNO3)=0.050 L×12 mol·L-1=0.60 mol,铜与硝酸反应过程中硝酸既起氧化剂的作用,也起酸的作用,其中被还原的物质的量为0.2 mol,则起酸的作用的硝酸的物质的量为0.6 mol-0.2 mol=0.4 mol,则根据生成的Cu(NO3)2可
知,铜过量,反应后有剩余,剩余Cu的物质的量为0.5 mol-eq \f(0.4 mol,2)=0.3 mol;NO和NO2的混合气体的物质的量为0.2 mol,设NO物质的量为x mol,则NO2的物质的量为(0.2-x) mol,根据氧化还原反应中电子守恒可得:0.2 mol×2=3x mol+(0.2-x)mol×1,解得x=0.1,生成的NO气体在标准状况下的体积为0.1 mol×22.4 L·mol-1=2.24 L。
(3)如果往反应后的体系内再加入100 mL 2 mol·L-1的稀硫酸,相当于再提供0.4 mol H+,溶液中还有NOeq \o\al(-,3),相当于稀硝酸与铜再充分反应后又有NO气体逸出,其离子反应方程式为3Cu+8H++2NOeq \o\al(-,3)===3Cu2++2NO↑+4H2O,用单线桥法表示电子转移的方向 和数目为3Cu+8H++2N6e-Oeq \o\al(-,3)===3Cu2++2NO↑+4H2O。
答案 (1)0.2 (2)Cu 0.3 mol 2.24 L
(3)3Cu+8H++2N6e-Oeq \o\al(-,3)===3Cu2++2NO↑+4H2O
知识点三 氮及其化合物的转化
1.以大气中的氮气为原料建立了合成氨工业:
___________________________。
2.通过非氧化还原反应将氨转化成铵态氮肥:_____________________ ______________________________________________________
3.通过氧化还原反应将氨转化成硝酸:________________________
___________________________________________________ (工业制硝酸)。
N2+3H2eq \o(,\s\up17(高温、高压),\s\do15(催化剂))2NH3
4NH3+5O2eq \o(=====,\s\up17(催化剂),\s\do15(△))4NO+
6H2O、2NO+O2===2NO2、3NO2+H2O===2HNO3+NO
在HNO3工业生产过程中产生哪些污染气体?会有哪些污染现象产生?
提示 污染气体:NH3、NOx、HNO3
污染现象:①光化学烟雾(NOx),②硝酸型酸雨。
硝酸型酸雨的形成过程:
NH3eq \o(——→,\s\up17(O2))NOeq \o(——→,\s\up17(O2))NO2eq \o(——→,\s\up17(H2O))HNO3和HNO3的工业制取原理一致。
1.关于氮的变化关系图如下:
则下列说法不正确的是( )
A.路线①②③是工业生产硝酸的主要途径
B.路线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是雷电固氮生成硝酸的主要途径
C.氮气可在足量的氧气中通过一步反应生成NO2
D.上述所有反应都是氧化还原反应
解析 在工业上是用氨催化氧化的方法制取硝酸,路线①②③就是工业生产硝酸的主要途径,A正确;雷电固氮就是空气中的N2与O2在电火花作用下发生反应生成NO,NO被O2氧化生成NO2,NO2被水吸收得到硝酸,故路线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是雷电固氮生成硝酸的主要途径,B正确;氮气与氧气在高温或放电时反应生成NO,无法一步生成二氧化氮,C错误;在上述反应中都存在N元素化合价的变化。因此都是氧化还原反应,D正确。
答案 C
2.如图所示为A、B、C、D、E五种含氮物质相互转化的关系图,其中A、B、C、D常温下都是气体,B为红棕色,写出A、B、C、D、E的化学式和各步反应的化学方程式。
(1)各物质的化学式为:
A__________;B____________;C____________;D____________;E____________。
(2)各步反应的化学方程式为:
A→C_________________________________________;
D→C_________________________________________;
B→E_________________________________________;
E→C_________________________________________。
解析 B为红棕色气体,是NO2,逆推C是NO,因此E是稀硝酸。
答案 (1)N2 NO2 NO NH3 HNO3
(2)N2+O2eq \o(=====,\s\up17(放电))2NO 4NH3+5O2eq \o(=====,\s\up17(催化剂),\s\do15(△))4NO+6H2O 3NO2+H2O===2HNO3+NO 3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
1.明代著名哲学家、科学家方以智在其《物理小识》卷七《金石类》中指出:有硇水者,剪银块投之,则旋而为水。其中的“硇水”指( )
A.醋酸
B.盐酸
C.硝酸
D.硫酸
解析 常温下能使金属银溶解,醋酸、盐酸和硫酸常温下均不能溶解金属银,硝酸是氧化性酸,因此“硇水”是指硝酸。
答案 C
2.下列关于浓硝酸的说法不正确的是( )
A.光照易分解
B.露置于空气中溶液浓度降低
C.能与碳反应说明其具有强氧化性
D.常温下铜在浓硝酸中发生钝化
解析 浓硝酸具有挥发性,见光分解和受热分解的不稳定性,还具有强的氧化性等。所以光照易分解是其不稳定性的表现,故A正确;露置于空气中因其挥发导致溶质减少,溶液浓度降低,故B正确;浓硝酸的强氧化性能氧化几乎所有的金属和绝大多数非金属,所以能与碳反应,故C正确;常温下铜可在浓、稀硝酸中发生反应,而铁、铝在浓硝酸中才能发生钝化,所以D错误。
答案 D
3.可以不用棕色瓶保存的试剂是( )
A.氨水
B.氯水
C.浓硝酸
D.氯化银
解析 氯水、浓硝酸、AgCl见光易分解,所以需要保存在棕色试剂瓶中。氨水可用可不用。
答案 A
4.下列反应既表现硝酸的酸性,又显示硝酸的氧化性的是( )
A.CuO+2HNO3===Cu(NO3)2+H2O
B.C+4HNO3(浓)===CO2+2H2O+4NO2↑
C.Cu+4HNO3(浓)eq \o(=====,\s\up17(△))Cu(NO3)2+2H2O+2NO2↑
D.NH3+HNO3===NH4NO3
解析 因硝酸中氮元素的化合价没有变化,只生成硝酸盐,则只表现酸性,故A错误;硝酸与碳反应,硝酸中氮元素的化合价全部由+5价降低为+4价,只体现氧化性,而不能体现酸性,故B错误;生成硝酸铜,则表现硝酸的酸性,且硝酸中部分氮元素的化合价由+5价降低为+4价,则体现硝酸的氧化性,故C正确;反应中没有元素化合价变化,不能体现硝酸的氧化性,生成硝酸盐,则只体现酸性,故D错误。
答案 C
5.下图是铜与稀硝酸反应的两个实验装置图,请回答下列问题:
(1)铜与稀硝酸反应的化学方程式_____________________________。
(2)学生甲用装置Ⅰ探究铜与稀硝酸反应的气体产物。实验过程在烧瓶中观察到有红棕色气体产生,在试管中收集到无色气体。烧瓶中产生红棕色气体的原因是_________________________________________________ ___________________(用方程式表示)。
(3)学生乙认为,甲用装置Ⅰ实验,无法说明问题。为了证明并观察到铜与稀硝酸反应的产物为NO,乙设计了如图Ⅱ所示的实验装置,选择下列药品,并按下列实验步骤完成该实验。请你根据他的思路,回答下列问题:
药品:稀硝酸 锌粒 石灰石固体
步骤:①检查装置的气密性
②向试管中加入一定量CaCO3固体
③向试管中倒入过量的稀HNO3,并迅速盖上带铜丝和导管的橡皮塞
④待反应完全后,将导管插入试管内接近液面
⑤将铜丝插入到溶液中
⑥用注射器的针头穿过橡皮塞并向试管内推入氧气(或空气)
(ⅰ)步骤②目的是__________________________________________;
(ⅱ)推入氧气或空气的目的是________________________________;
解析 (1)硝酸有氧化性,能把铜氧化生成硝酸铜,方程式为3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。
(2)NO极易被氧化生成红棕色NO2,方程式为2NO+O2===2NO2。
(3)(ⅰ)为防止NO被氧气氧化,所以必须排尽装置中的空气,利用碳酸钙和硝酸反应生成的CO2来排除装置中的氧气。(ⅱ)通过氧气氧化NO来检验生成的NO气体。
答案 (1)3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
(2)2NO+O2===2NO2
(3)(ⅰ)排除装置中的氧气 (ⅱ)检验生成的NO气体
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