Question

18．在有機化學中，濃硝酸與濃硫酸的混合液是重要的硝化試劑．硝酸在工業(yè)上主要以氨催化氧化法生產(chǎn)，某學生小組在實驗室探究硝酸的制備和性質(zhì)．
Ⅰ．硝基苯的制備（圖甲）
在100mL錐形瓶中，加入18mL濃硝酸，在冷卻和振蕩下慢慢加入20mL濃硫酸制成混合酸備用．在250mL三頸燒瓶內(nèi)加入18mL苯及碎瓷片，三頸燒瓶分別安裝溫度計、滴液漏斗及冷凝管．從滴液漏斗滴入上述制好的冷的混合酸．控制滴加速度使反應溫度維持在50～55℃之間．滴加完畢后，繼續(xù)控制溫度反應15min．
（1）反應過程中，需控制反應溫度在50～55℃之間的可能理由是防止?jié)庀跛岱纸夂捅降膿]發(fā)（或生成副產(chǎn)物間二硝基苯）．
（2）將反應后的混合液移入100mL分液漏斗，經(jīng)過分液，放出下層（混合酸），然后將有機層依次用等體積的水、5%氫氧化鈉溶液、水洗滌后，得到粗硝基苯．氫氧化鈉溶液洗滌的作是除去產(chǎn)品中未反應的酸．
（3）粗硝基苯還含有的主要雜質(zhì)是苯，若在實驗室分離宜選用的方法是蒸餾．
Ⅱ．探究硝酸的制備
（1）氨催化氧化的化學方程式為4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$4NO+6H₂O．
（2）學生小組用如圖乙所示裝置制取“氨氧化法制硝酸”的原料氣，則化合物X可能為NH₄HCO₃或（NH₄）₂CO₃（填化學式）．
Ⅲ．探究濃、稀硝酸氧化性的相對強弱
某學生小組按圖丙所示裝置進行試驗（夾持儀器已略去）．實驗表明濃硝酸能將NO氧化成NO₂，而稀硝酸不能氧化NO．由此得出的結(jié)論是濃硝酸的氧化性強于稀硝酸．可選藥品：濃硝酸、3mol•L^-1稀硝酸、蒸餾水、濃硝酸、氫氧化鈉溶液及二氧化碳．
（1）實驗時應避免有害氣體排放到空氣中，則裝置③、④、⑥中盛放的藥品依次是3mol/L稀硝酸、濃硝酸、氫氧化鈉溶液．
（2）裝置②的作用是將NO₂轉(zhuǎn)化為NO．
（3）該小組得出上述結(jié)論的實驗現(xiàn)象是裝置③中液面上方氣體仍為無色，裝置④中液面上方氣體由無色變?yōu)榧t棕色．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）可結(jié)合反應物的性質(zhì)及有機反應的特征來解答；
（2）有機層粗產(chǎn)物中有少量的硫酸，可以用氫氧化鈉除去；
（3）通過分液操作除去水層后，硝基苯中混有多余的苯，可結(jié)合二者的沸點差異，利用蒸餾分離；
Ⅱ（1）在一定條件下氨氣與氧氣反應生成一氧化氮和水；
（2）氨催化氧化法制硝酸的原料氣是氧氣和氨氣，其中過氧化鈉能與水或CO₂反應生成氧氣，故X能提供氨氣和二氧化碳或水，且X為固體，據(jù)此分解推斷X的成分；
Ⅲ（1）根據(jù)裝置特點和實驗目的判斷；
（2）根據(jù)二氧化氮的性質(zhì)且能轉(zhuǎn)化為一氧化氮選擇試劑；
（3）根據(jù)對比實驗③、④的實驗現(xiàn)象判斷．

解答 解：Ⅰ（1）制硝基苯的反應物硝酸高溫易分解，苯易揮發(fā)，有機反應如果反應條件控制不當易產(chǎn)生副反應，故答案為：防止?jié)庀跛岱纸夂捅降膿]發(fā)（或生成副產(chǎn)物間二硝基苯）；
（2）有機層粗產(chǎn)物中有少量的硫酸和硝酸，可以用氫氧化鈉除去產(chǎn)品中的硫酸和硝酸，
故答案為：除去產(chǎn)品中未反應的酸；
（3）分液后的有機層主要成分是硝基苯，另有少量未反應的苯；可根據(jù)苯和硝基苯的沸點差異，利用蒸餾分離，故答案為：苯；蒸餾；
Ⅱ：（1）①氨催化氧化的產(chǎn)物是一氧化氮和水，是工業(yè)生產(chǎn)硝酸獲得一氧化氮的一步反應，化學方程式為4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$4NO+6H₂O，
故答案為：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$4NO+6H₂O；
②利用過氧化鈉與水或二氧化碳生成氧氣，則X須受熱分解生成氨氣、二氧化碳和水，故應該為NH₄HCO₃或（NH₄）₂CO₃，故答案為：NH₄HCO₃或（NH₄）₂CO₃；
Ⅲ：（1）根據(jù)裝置特點和實驗目的，裝置⑤是收集NO，裝置⑥中盛放NaOH溶液吸收NO₂防止污染大氣；因為要驗證稀HNO₃不能氧化NO，所以裝置③中應該盛放稀硝酸，
故答案為：3mol/L稀硝酸；濃硝酸；氫氧化鈉溶液；
（2）裝置②中盛放H₂O，使NO₂與H₂O反應生成NO：3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，故答案為：將NO₂轉(zhuǎn)化為NO；
（3）NO通過稀HNO₃溶液后，若無紅棕色NO₂產(chǎn)生，說明稀HNO₃不能氧化NO，所以盛放稀HNO₃裝置的液面上方?jīng)]有顏色變化即可說明之．裝置④中盛放的是濃HNO₃，若濃HNO₃能氧化NO則裝置④液面的上方會產(chǎn)生紅棕色氣體，
故答案為：裝置③中液面上方氣體仍為無色，裝置④中液面上方氣體由無色變?yōu)榧t棕色．

點評 物質(zhì)制備實驗探究，考查了硝酸苯的制備與分離提純、氨氣的實驗室制備和實驗方案的評價、考查HNO₃的性質(zhì)、屬物質(zhì)驗證性實驗設計，利用對比的方法判斷硝酸的性質(zhì)．結(jié)合已知的物質(zhì)具有的性質(zhì)，選擇合適的試劑，設計具體實驗方案驗證物質(zhì)是否具有該性質(zhì)．對有毒氣體要設計尾氣處理裝置，防止污染環(huán)境．