内容正文:
课时微练(十九)
硝酸 含氮物质的转化
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1.二十四节气是中国历法的独特创造。四月农谚“雷雨肥田”“雨生百谷”描述的都是节气谷雨。下列元素在自然界中的转化与“雷雨肥田”有关的是( )
A.K B.N C.P D.C
基础训练
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“雷雨肥田”的意思是在放电条件下N2和O2反应生成NO,NO与O2反应生成NO2,NO2与水反应生成HNO3,HNO3随雨水降落与土壤中的物质反应生成硝酸盐,硝酸盐作为氮肥被农作物吸收,B项正确。
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2.我国清代《本草纲目拾遗》中记叙无机药物335种,其中“强水”条目下写道:“性最烈,能蚀五金……其水甚强,五金八石皆能穿第,惟玻璃可盛。”这里的“强水”是指硝酸,下列有关硝酸的相关描述正确的是( )
A.浓硝酸保存于无色试剂瓶中
B.向装有Fe(NO3)2溶液的试管中加入稀硫酸,可在试管口观察到红棕色气体
C.常温下,浓硝酸可以用铝制容器储存,说明浓硝酸与铝不反应
D.稀硝酸与金属反应时,可被还原为更低价态,说明稀硝酸的氧化性强于浓硝酸
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浓硝酸见光会分解,要保存在棕色试剂瓶中,A项错误;酸性溶液中硝酸根离子有强氧化性,与亚铁离子发生氧化还原反应生成一氧化氮,一氧化氮在试管口与氧气反应生成二氧化氮,可在试管口观察到红棕色气体,B项正确;常温下,铝在浓硝酸中发生钝化,所以浓硝酸可以用铝制容器储存,C项错误;稀硝酸与金属反应时,稀硝酸被还原为一氧化氮,反应较慢,浓硝酸被还原为二氧化氮,反应较快,所以稀硝酸的氧化性比浓硝酸弱,D项错误。
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3.铜粉放入稀硫酸溶液中,加热后无明显现象发生。当加入一种盐 后,铜粉的质量减少,溶液呈蓝色,同时有气体逸出。该盐是( )
A.硫酸铁 B.碳酸钠 C.硝酸钾 D.硫酸亚铁
Cu与Fe3+反应无气体生成,A项错误;Cu与稀硫酸不反应,加入Na2CO3时与酸反应生成二氧化碳气体,但Cu不溶解,B项错误;Cu、稀硫酸、KNO3混合时发生反应3Cu+8H++2N===3Cu2++ 2NO↑+4H2O,则铜粉质量减小,同时溶液逐渐变为蓝色,且有气体逸出,C项正确;Cu、稀硫酸、FeSO4混合时不发生反应,D项错误。
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4.为解决铜与稀硝酸反应过程中装置内氧气对实验现象的干扰,以及实验后装置内氮氧化物无法全部排出进行绿色化处理等问题,某实验小组对装置进行了改造。改造后的装置如图所示(注:图中的试管底部有小孔)。下列说法错误的是( )
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A.实验开始时先拉注射器A的活塞,其目的是除去反应前试管内的空气
B.注射器B可用于调节或平衡广口瓶内气体的压强
C.该实验装置可通过控制止水夹和注射器来控制反应的开始与停止
D.反应停止后,打开止水夹、缓慢拉动注射器A即可将试管内的氮氧化物全部排入注射器A中
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拉注射器A可将试管中的气体排出,同时使试管中的液面上升,A项正确;拉注射器B可降低广口瓶中的压强,推注射器B可增大气体压强,B项正确;该实验装置可通过控制止水夹和注射器来控制反应的开始与停止,C项正确;反应停止后,提拉粗铜丝,使粗铜丝下端靠近软胶塞A,再打开止水夹,缓慢拉注射器A的活 塞,可观察到试管内的无色气体被吸入注射器A内,试管内稀硝酸液面逐渐上升,注射器B活塞缓慢向内移动,如不提拉铜丝会继续反应,D项错误。
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5.将3.2 g铜投入一定物质的量浓度的硝酸溶液中,恰好完全反应,产生的二氧化氮和一氧化氮混合气体的物质的量共0.08 mol,原溶液中硝酸的物质的量为( )
A.0.08 mol B.0.18 mol C.0.13 mol D.0.05 mol
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在铜与硝酸的反应中,硝酸表现氧化性和酸性,n(HNO3)=n(气体)+ 2×n[Cu(NO3)2],所以n(HNO3)=0.08 mol+×2=0.18 mol,故选B。
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思维建模
金属与硝酸反应计算的思维模型
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6.将铜丝伸入盛有浓硝酸的具支试管中(如图所示,夹持装置已略去)进行实验,下列说法错误的是( )
A.反应进行一段时间后,具支试管中的气体可能为NO2和NO
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B.铜丝绕成螺旋状的目的是增大反应物接触面积
C.反应进行一段时间后,烧杯中的溶质可能含NaNO3和NaNO2
D.该实验中浓硝酸主要体现强氧化性和脱水性
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浓硝酸和铜反应生成二氧化氮,随着反应进行,硝酸变稀,生成一氧化氮,A项正确;铜丝绕成螺旋状,和硝酸接触更加充分,反应更加充分,B项正确;反应开始时,为浓硝酸和铜反应生成二氧化氮,二氧化氮和氢氧化钠反应生成NaNO3和NaNO2,C项正确;该实验中浓硝酸主要体现强氧化性和酸性,不体现脱水性,D项错误。
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7.如图为合成氨以及氨氧化制硝酸的流程示意图,下列说法错误的是
( )
A.合成塔中发生的反应为氧化还原反应
B.向吸收塔中通入A是为了氧化NO
C.盛装浓硝酸的罐体材料可选择铜
D.尾气中的氮氧化物可用Na2CO3溶液吸收
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氮气和氢气发生氧化还原反应生成氨气,分离出的氨气被氧气氧化为一氧化氮,一氧化氮和氧气、水反应生成硝酸,故A为氧气。由分析可知,合成塔中发生的反应为氧化还原反应,A项正确;由分析可知,A为氧气,向吸收塔中通入A是为了氧化NO,B项正确;铜和浓硝酸在常温下能够反应,C项错误;碳酸钠溶液显碱性,氮氧化物能被碱性溶液吸收,故尾气中的氮氧化物可用Na2CO3溶液吸收,D项正确。
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8.Cu和浓硝酸反应生成氮氧化物,这些氮氧化物与图中NaOH溶液恰好完全反应生成NaNO3和NaNO2的混合溶液,反应过程及有关数据如图所示:
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下列有关判断正确的是( )
A.标准状况下收集到的氮氧化物为22.4 L
B.该反应中浓硝酸只起到氧化剂的作用
C.浓硝酸和铜片需要在加热条件下才能反应
D.如果铜片溶解12.8 g,则生成1.0 mol的NaNO3
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9.通常来说浓度12 mol·L-1以上的硝酸称为浓硝酸。Cu与硝酸反应时,硝酸的浓度不同,产物也不同。如图为3 mol Cu与足量14 mol·L-1硝酸反应的关系图,你认为合理的是( )
A.a B.b
C.c D.均不合理
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Cu与浓硝酸反应的方程式为Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+ 2H2O,可得关系式1 mol Cu~4 mol浓硝酸~2 mol NO2,但随着反应的进行,浓硝酸逐渐变稀,发生的反应为3Cu+8HNO3(稀)=== 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,可得关系式3 mol Cu~8 mol稀硝酸~
2 mol NO,也就是说3 mol Cu完全消耗时,产生气体的量小于
6 mol,但是会大于2 mol,曲线b满足条件,故选B。
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10.实验室常利用难挥发性酸制备易挥发性酸的原理,用浓硫酸与硝石(NaNO3)反应制备HNO3,反应装置如图所示。下列说法错误的是( )
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11.(2025·铜川模拟)实验室利用以下装置配制2 mol·L-1的稀硝酸并制取NO,其中装置及操作均正确且能达到实验目的的是( )
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A.用装置甲制备NO气体
B.用装置乙收集NO气体
C.用装置丙进行NO的尾气吸收
D.用装置丁配制100 mL 2 mol·L-1 HNO3溶液
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装置甲使用了长颈漏斗,会造成NO泄露,A项错误;NO难溶于水,可用排水法收集NO气体,B项正确;NO不与NaOH溶液反应,不能被吸收,C项错误;定容时应用胶头滴管滴加蒸馏水,D项错误。
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12.一定条件下,含氮元素的物质可发生如图所示的循环转化。
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能力训练
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回答下列问题:
(1)氮原子的结构示意图为 。
(2)图中属于“氮的固定”的是 (填字母,下同);转化过程中发生非氧化还原反应的是 。
(3)若“反应h”是在NO2与H2O的作用下实现,则该反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为 。
(4)若“反应i”是在酸性条件下由N与Zn的作用实现,则该反应的离子方程式为 。
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k和c
a和l
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4Zn+2N+10H+===4Zn2++N2O↑+5H2O
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(2)氮的固定是游离态的氮转化成为化合态的氮,根据题图可知,属于氮的固定的是k和c;发生非氧化还原反应,说明反应前后 各元素化合价没有发生变化,则属于非氧化还原反应的是a和l。(3)反应h的化学方程式为3NO2+H2O===2HNO3+NO,氧化产物是HNO3,还原产物是NO,因此氧化产物和还原产物的物质的量之比为2∶1。(4)根据电荷守恒、得失电子守恒以及原子守恒,配平离子方程式为4Zn+2N+10H+===4Zn2++N2O↑+5H2O。
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13.1.52 g铜镁合金完全溶解于50 mL密度为1.40 g·mL-1、质量分数为63%的浓硝酸中,得到NO2和N2O4的混合气体0.05 mol,向反应后的溶液中加入V mL 3.20 mol·L-1 NaOH溶液,恰好使金属离子全部沉淀,共得到2.54 g沉淀。
已知:①不考虑反应过程中质量的损失;②不考虑溶液体积的变 化。
回答下列问题:
(1)硝酸中氮元素的化合价为 价。
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(2)得到0.05 mol由NO2和N2O4组成的混合气体时:
①NO2气体的颜色为 。
②n(N2O4)= mol。
③此时浓硝酸 (填“已”或“未”)反应完,若未反应完,剩余浓硝酸的物质的量浓度为 mol·L-1(若答已反应完,此空可不用填)。
(3)2.54 g沉淀的成分为Cu(OH)2和Mg(OH)2:
①该沉淀中m[Cu(OH)2]= g。
②V= 。
(4)反应结束后所得的溶液中,溶质的物质的量浓度为 mol·L-1。
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质的量为a mol,则四氧化二氮的物质的量为(0.05-a)mol,根据电子转移守恒可知,a×1+(0.05-a)×2×1=0.06,解得a=0.04,则n(N2O4)= 0.01 mol。③加入的浓硝酸的质量是50 mL×1.40 g·mL-1=70 g,含有硝酸的质量是70 g×63%=44.1 g,物质的量是44.1 g÷63 g·mol-1= 0.7 mol。设铜、镁的物质的量分别为x mol、y mol,则64x+24y=1.52(质量之和是1.52 g),98x+58y=2.54(氢氧化物质量之和是2.54 g),联立二式,解得x=0.02,y=0.01。0.02 mol铜和0.01 mol镁转化成对应的硝酸盐,参与成盐的硝酸根离子是0.06 mol,生成
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14.某小组进行铜与浓硝酸反应的实验后,观察到反应剧烈进行,铜丝逐渐变细,溶液变绿,试管上方出现红棕色气体。小组成员试图探究溶液变绿的可能性。
(1)铜与浓硝酸反应的化学方程式为
。
(2)甲同学推测溶液显绿色的原因是NO2在溶液中达到饱和,NO2的饱和溶液呈黄色,硝酸铜稀溶液呈蓝色,两者混合后呈绿色。
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Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
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①甲同学取少量该绿色溶液,向其中加入适量水后溶液变为蓝色,可能的原因是 (用化学方程式表示)。
②乙同学认为甲同学所做实验不足以支撑他的推测,还有可能是__________________________________。
③丙同学进一步探究反应后溶液呈绿色是否与NO2的溶解有关,设计实验:用不同气体将反应后溶液中的NO2赶出,观察并分析现象。实验记录如下:
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3NO2+H2O===2HNO3+NO
硝酸铜浓溶液呈绿色,稀溶液呈蓝色
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注:实验过程中气体流速均已保持一致
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实验编号 1 2 3
通入气体 N2 CO2 O2
实验现象 大量红棕色气体逸出,约25 min后溶液变为蓝色 大量红棕色气体逸出,约25 min后溶液变为蓝色 大量红棕色气体逸出,约5 min后溶液变为蓝色
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实验2不能将大理石与稀盐酸反应产生的气体直接通入溶液中,说明原因:_____________________________________________________
_______________________________________________。
该实验说明反应后的溶液呈绿色的主要原因 (填“是”或“不是”) NO2的溶解所导致的。
(3)丁同学结合上述实验继续推测溶液显绿色源于铜的亚硝酸化合 物,铜和浓硝酸的反应过程中还生成了亚硝酸,进而与Cu2+结合形成绿色物质。资料显示[Cu(NO2)4]2-为绿色。
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制得的CO2中存在HCl气体杂质,通入反应后的溶液,Cl-可与铜离子结合生成黄色的[CuCl4]2-,影响实验结论
不是
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①查阅资料后发现尿素[CO(NH2)2]可以和亚硝酸发生反应但不会影响NO2的生成,在与亚硝酸的反应中可生成两种无污染的气体,其化学方程式为 。
②丙同学往反应结束后的试管中加入一勺尿素,溶液立刻恢复蓝 色。随后小组成员又做了补充实验:在铜和浓硝酸反应开始前,提前加入一定量的尿素,反应现象变为___________________________
,则说明丁同学的推测具有一定科学性。
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CO(NH2)2+2HNO2===2N2↑+CO2↑+3H2O
铜迅速溶解,生成大量红棕色气体,溶液变为蓝色
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(2)①加入适量水后,NO2被反应掉,所以颜色变为蓝色,用化学方程式表示为3NO2+H2O===2HNO3+NO;②还可能是硝酸铜溶液被稀释,颜色发生改变;③石灰石和稀盐酸制取二氧化碳,盐酸易挥发,制得的CO2中可能存在HCl气体杂质,通入反应后的溶 液,Cl-可与铜离子配合生成黄色的[CuCl4]2-,影响实验结论;通入三种不同气体后,实验1、2和3的现象不相同,大量红棕色气体逸出后溶液没有立刻变蓝,故该实验说明反应后的溶液呈绿色的
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主要原因不是二氧化氮的溶解导致。(3)①尿素可以和亚硝酸反应生成两种无污染的气体,可推出气体为N2和CO2,其反应的化学方程式为CO(NH2)2+2HNO2===2N2↑+CO2↑+3H2O;②在铜和浓硝酸反应开始前,提前加入一定量的尿素,则反应现象变为铜迅速溶解,生成大量红棕色气体,溶液变为蓝色。
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15.(2025·周口模拟)某兴趣小组设计实验验证铜与浓硝酸、稀硝酸的反应,装置如图所示(夹持装置未画出):
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实验一:验证铜与浓硝酸的反应
按图示连接好装置,__________后,装入药品,关闭K2、K3,打开K1,一段时间后,再关闭K1,打开K2,加入足量的浓硝酸。
实验二:验证铜与稀硝酸的反应
待装置B中反应完全后……
回答下列有关问题:
(1)实验一中的横线上应填入的内容是 ;装置B中装浓硝酸的仪器名称是 。
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检验装置的气密性
分液漏斗
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(2)实验一中“关闭K2、K3,打开K1”的目的是_____________________
。
(3)装置B中发生反应的离子方程式为
____________________________________。
(4)实验二的后续操作顺序为 (填字母),打开止水夹后装置C的具支试管中的现象为 。
a.打开止水夹 b.打开K1
c.打开K3,加入蒸馏水 d.关闭K1
e.插入铜丝
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排尽装置内的空气,防止Cu与稀硝酸反应生成的NO被氧化
Cu+2N+4H+===Cu2++2NO2↑+2H2O
cbdea
液面上方出现红棕色气体
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(5)实验结束后,有同学观察到装置B中溶液呈绿色,装置C中溶液呈蓝色。小组同学认为颜色不同的原因可能如下:
猜想1:硝酸铜溶液的物质的量浓度不同,溶液颜色不同,浓度小时呈蓝色,浓度大时呈绿色。
猜想2:NO2溶解在硝酸铜溶液中,导致溶液颜色不同。
继续实验,打开K1,一段时间后,装置B中溶液变为蓝色,说明_________可能成立,请设计实验验证另一猜想的可能性:________
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猜想2
取适量装置C中的溶液于试管中,加入Cu(NO3)2固体,若溶液变为绿色,说明猜想1成立
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研究铜与浓、稀硝酸反应的差异,先利用二氧化碳将装置中的空气排出,防止Cu与稀硝酸反应生成的NO被氧化,装置B中滴加浓硝酸时Cu与浓硝酸反应生成二氧化氮,在C中验证铜和稀硝酸的反应,最后尾气处理,以此来解答。(1)装置连接后首先需要做的是检验装置的气密性;装置B中装浓硝酸的仪器名称是分液漏 斗。
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(2)由于装置中含有空气,会干扰NO检验,所以实验一中“关闭
K2、K3,打开K1”的目的是排尽装置内的空气,防止Cu与稀硝酸反应生成的NO被氧化。(3)装置B中浓硝酸和铜反应生成硝酸铜、二氧化氮和水,发生反应的离子方程式为Cu+2N+4H+===Cu2++ 2NO2↑+2H2O。(4)先打开K3,加入蒸馏水充分吸收生成的NO2气 体,之后打开K1通入CO2,排尽装置内生成的NO气体,防止干扰实验,关闭K1后,插入铜丝使之与稀硝酸反应,再打开止水夹,
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使生成的气体与O2接触。打开止水夹后氧气把NO氧化为二氧化 氮,则装置C的具支试管中的现象为液面上方出现红棕色气体。(5)继续实验,打开K1,一段时间后,装置B中溶液变为蓝色,由于A装置中二氧化碳把二氧化氮带出,因此说明猜想2可能成立,要验证猜想1的可能性,实验方案为取装置C中的溶液适量于试管中,加入Cu(NO3)2固体,若溶液变为绿色,说明猜想1成立。
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NO2、N2O4在标准状况下不是气体,在标准状况下收集的氮氧化物的体积小于22.4 L,A项错误;浓硝酸与Cu反应生成硝酸铜、氮氧化物,硝酸表现酸性和强氧化性,B项错误;浓硝酸和Cu在常温下就能反应生成硝酸铜、氮氧化物,C项错误;根据反应过程可知仅有两种元素的化合价发生变化,即Cu→Cu2+、HNO3→NaNO2,12.8 g Cu的物质的量为=0.2 mol,根据得失电子守恒,n(NaNO2)× 2=n(Cu)×2,因此n(NaNO2)=0.2 mol,根据钠元素守恒,n(NaNO3)= 0.6 L× 2 mol·L-1-0.2 mol=1.0 mol,D项正确。
A.该装置不用橡皮塞和橡胶管,可避免被酸腐蚀
B.反应方程式为NaNO3+H2SO4(浓)NaHSO4+HNO3↑
C.反应温度如果过高,制得的HNO3可能会呈现黄色
D.制得的硝酸可用无色透明洁净的试剂瓶盛装
浓酸能腐蚀橡皮塞和橡胶管,该装置不用橡皮塞和橡胶管,可避免被酸腐蚀,A项正确;该实验利用高沸点的浓硫酸制备低沸点的硝酸,反应方程式为NaNO3+H2SO4(浓)NaHSO4+HNO3↑,B项正确;硝酸在温度过高时能分解生成二氧化氮、氧气和水,NO2溶于水呈黄色,C项正确;硝酸见光易分解,所以应避光保存,应存放在棕色试剂瓶中,D项错误。
(1)硝酸中H元素的化合价为+1价,O元素的化合价为-2价,根据正、负化合价代数和为零可得,N元素的化合价为+5价。(2)①NO2为红棕色气体。②金属离子全部沉淀时得到的2.54 g沉淀为氢氧化铜、氢氧化镁,故沉淀中氢氧根离子的质量为2.54 g-1.52 g=1.02 g,氢氧根离子的物质的量为=0.06 mol,根据电荷守恒可知,金属提供的电子的物质的量等于氢氧根离子的物质的量,标准状况下,NO2和N2O4混合气体的物质的量为0.05 mol,设二氧化氮的物
氮氧化物消耗0.06 mol硝酸,所以硝酸总共消耗0.12 mol,未反应完。剩余硝酸0.7 mol-0.12 mol=0.58 mol,浓度是=11.6 mol·L-1。(3)①根据铜原子守恒,氢氧化铜有0.02 mol,质量是0.02 mol×98 g·mol-1=1.96 g。②加入的氢氧化钠要与硝酸中和,然后和金属离子反应生成沉淀,中和反应消耗0.58 mol氢氧化钠,生成沉淀消耗0.06 mol,共需要0.64 mol氢氧化钠,溶液体积V==0.2 L=200 mL。(4)所得溶液中含有
0.64 mol硝酸钠,浓度为=2.56 mol·L-1。
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