二氧化氮溶于水的性质实验分析

■山东省日照海曲高级中学 肖富元

二氧化氮与水反应可生成硝酸和一氧化氮,工业生产中常利用这一原理制取硝酸,反应方程式为3NO2+H2O══2HNO3+NO。我们可用实验来证明NO2的性质:将收集满NO2气体的试管倒置于盛有水的水槽中,会发现试管中液面上升,同时试管内气体由红棕色变为无色。然后用手堵住试管口将其正置,让试管里的无色气体与空气接触,可发现气体又变为红棕色,说明产生的无色气体为NO。再向试管中滴加2～3滴紫色石蕊试液,溶液变红,说明有HNO3生成。

在实验中,大家容易忽视一个实验现象:最后进入试管中液体的体积超过试管容积的,但通过上面的方程式可知进入试管中液体的体积应该等于试管容积的,那么为什么会超过呢?是不是因为NO2气体中混有一定量的N2O4气体?1体积的N2O4气体相当于2体积的NO2气体,N2O4与水反应的方程式为3N2O4+2H2O══4HNO3+2NO,从方程式可知,如果是因为混有N2O4气体,最后进入试管中液体的体积应该低于试管容积的。

从氮元素化合价分析,NO2中的氮为+4价,处于+3价和+5价之间,其实NO2与水的反应是NO2溶于水发生歧化反应生成HNO3和HNO2,而HNO2不稳定,受热立即分解产生NO。反应方程式为2NO2+H2O══HNO3+HNO2,3HNO2══HNO3+2NO+H2O。而在室温下HNO2部分分解,所以常温下做NO2溶于水的实验时试管的溶液中还有HNO2没有分解,因而产生的NO气体就要小于原来NO2气体的,这就是为什么进入试管中液体的体积超过试管容积的

我们可以做一个对比实验来进一步证明:将两支充满NO2气体的试管分别倒置于盛有冰水和热水的水槽中,发现倒置于盛有冰水的水槽中的试管几乎被液体充满,而倒置于盛有热水的水槽中的试管液面高度等于试管的分别在两支试管的溶液中滴加2滴酸性高锰酸钾溶液,冷水溶液的试管中酸性高锰酸钾溶液褪色,热水溶液的试管中酸性高锰酸钾溶液不褪色。

通过NO2与H2O的反应可知:NO2通入NaOH溶液可以被完全吸收,反应方程式为2NO2+2NaOH══NaNO3+NaNO2+H2O,所以工业上用NaOH溶液吸收氮的氧化物,以减少氮的氧化物对环境的污染。

从NO2与NaOH溶液反应的方程式分析:2molNO2等价于两种酸性氧化物的混合物。同理氮的氧化物或氮的氧化物和氧气混合气体溶于水的反应:

以上三个反应方程式均等价于N2O5+H2O══2HNO3,即进入水中的N和O的物质的量之比为2∶5。利用这种等价变换思想可以很简便地解答有关氮的氧化物或氮的氧化物和氧气混合气体溶于水或碱溶液的计算题。

例1已知氮的氧化物跟NaOH溶液发生的化学反应如下:

2NO2+2NaOH══NaNO3+NaNO2+H2O

NO+NO2+2NaOH══2NaNO2+H2O

下列气体不可能被过量的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,这两种盐对应的酸酐分别为N2O5和N2O3,所以NOx或NOx和O2的混合物应满足全部等价变换为N2O5、N2O3或N2O5和N2O3的混合物,才能被NaOH溶液完全吸收。所以混合气体中N和O应满足:,则可被NaOH溶液完全吸收。选项A中,选项B中,选项,选项D中,所以应选D项。

例2常温下,将盛有10mLNO2和10mLNO混合气体的试管倒置在水中,并向其中通入一定量的氧气,充分反应后试管内尚余2mL气体,则通入氧气的体积为____(溶液中只有HNO3)。

解析：进入水中的气体的应该等于,最后剩余2mL气体有两种可能:NO或O2。设通入O2的体积为xmL,若剩余气体为O2,则有,解得x=12。若剩余气体为NO,则有,解得x=8.5。