二氧化氮溶于水的性質(zhì)實驗分析

■山東省日照海曲高級中學(xué) 肖富元

二氧化氮與水反應(yīng)可生成硝酸和一氧化氮,工業(yè)生產(chǎn)中常利用這一原理制取硝酸,反應(yīng)方程式為3NO2+H2O══2HNO3+NO。我們可用實驗來證明NO2的性質(zhì):將收集滿NO2氣體的試管倒置于盛有水的水槽中,會發(fā)現(xiàn)試管中液面上升,同時試管內(nèi)氣體由紅棕色變?yōu)闊o色。然后用手堵住試管口將其正置,讓試管里的無色氣體與空氣接觸,可發(fā)現(xiàn)氣體又變?yōu)榧t棕色,說明產(chǎn)生的無色氣體為NO。再向試管中滴加2～3滴紫色石蕊試液,溶液變紅,說明有HNO3生成。

在實驗中,大家容易忽視一個實驗現(xiàn)象:最后進(jìn)入試管中液體的體積超過試管容積的,但通過上面的方程式可知進(jìn)入試管中液體的體積應(yīng)該等于試管容積的,那么為什么會超過呢?是不是因為NO2氣體中混有一定量的N2O4氣體?1體積的N2O4氣體相當(dāng)于2體積的NO2氣體,N2O4與水反應(yīng)的方程式為3N2O4+2H2O══4HNO3+2NO,從方程式可知,如果是因為混有N2O4氣體,最后進(jìn)入試管中液體的體積應(yīng)該低于試管容積的。

從氮元素化合價分析,NO2中的氮為+4價,處于+3價和+5價之間,其實NO2與水的反應(yīng)是NO2溶于水發(fā)生歧化反應(yīng)生成HNO3和HNO2,而HNO2不穩(wěn)定,受熱立即分解產(chǎn)生NO。反應(yīng)方程式為2NO2+H2O══HNO3+HNO2,3HNO2══HNO3+2NO+H2O。而在室溫下HNO2部分分解,所以常溫下做NO2溶于水的實驗時試管的溶液中還有HNO2沒有分解,因而產(chǎn)生的NO氣體就要小于原來NO2氣體的,這就是為什么進(jìn)入試管中液體的體積超過試管容積的

我們可以做一個對比實驗來進(jìn)一步證明:將兩支充滿NO2氣體的試管分別倒置于盛有冰水和熱水的水槽中,發(fā)現(xiàn)倒置于盛有冰水的水槽中的試管幾乎被液體充滿,而倒置于盛有熱水的水槽中的試管液面高度等于試管的分別在兩支試管的溶液中滴加2滴酸性高錳酸鉀溶液,冷水溶液的試管中酸性高錳酸鉀溶液褪色,熱水溶液的試管中酸性高錳酸鉀溶液不褪色。

通過NO2與H2O的反應(yīng)可知:NO2通入NaOH溶液可以被完全吸收,反應(yīng)方程式為2NO2+2NaOH══NaNO3+NaNO2+H2O,所以工業(yè)上用NaOH溶液吸收氮的氧化物,以減少氮的氧化物對環(huán)境的污染。

從NO2與NaOH溶液反應(yīng)的方程式分析:2molNO2等價于兩種酸性氧化物的混合物。同理氮的氧化物或氮的氧化物和氧氣混合氣體溶于水的反應(yīng):

以上三個反應(yīng)方程式均等價于N2O5+H2O══2HNO3,即進(jìn)入水中的N和O的物質(zhì)的量之比為2∶5。利用這種等價變換思想可以很簡便地解答有關(guān)氮的氧化物或氮的氧化物和氧氣混合氣體溶于水或堿溶液的計算題。

例1已知氮的氧化物跟NaOH溶液發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下:

2NO2+2NaOH══NaNO3+NaNO2+H2O

NO+NO2+2NaOH══2NaNO2+H2O

下列氣體不可能被過量的NaOH溶液完全吸收的是( )。

A.1molO2和4molNO2

B.1molNO和4molNO2

C.1molO2和4molNO

D.4molNO和1molNO2

解析：NOx被NaOH溶液吸收生成NaNO3或NaNO2,這兩種鹽對應(yīng)的酸酐分別為N2O5和N2O3,所以NOx或NOx和O2的混合物應(yīng)滿足全部等價變換為N2O5、N2O3或N2O5和N2O3的混合物,才能被NaOH溶液完全吸收。所以混合氣體中N和O應(yīng)滿足:,則可被NaOH溶液完全吸收。選項A中,選項B中,選項,選項D中,所以應(yīng)選D項。

例2常溫下,將盛有10mLNO2和10mLNO混合氣體的試管倒置在水中,并向其中通入一定量的氧氣,充分反應(yīng)后試管內(nèi)尚余2mL氣體,則通入氧氣的體積為____(溶液中只有HNO3)。

解析：進(jìn)入水中的氣體的應(yīng)該等于,最后剩余2mL氣體有兩種可能:NO或O2。設(shè)通入O2的體積為xmL,若剩余氣體為O2,則有,解得x=12。若剩余氣體為NO,則有,解得x=8.5。