Question

Взаимодействие металлов с азотной кислотой на практике часто приводит к образованию сложной смеси продуктов восстановления азота, состав которой зависит от многих факторов. Важнейшими из них являются природа металла (в том числе его физическое состояние — размер частиц), концентрация азотной кислоты, условия проведения эксперимента (температура, перемешивание и т. д.).
а)  Образование каких продуктов, содержащих азот, помимо нитрата металла, возможно при растворении металлов в азотной кислоте? Для каждого продукта приведите по одному уравнению соответствующей химической реакции.
б)  Навеску металла массой 1,00 г растворили в избытке раствора HNO3 с массовой долей 15,0 %. При этом выделилось 446 см3 (н. у.) смеси газообразных продуктов реакции. Было установлено, что смесь содержит 117 мг N2 и 269 мг NO, а массовая доля химического элемента азота в ней равна 60,7 %. Рассчитайте плотность выделившейся газообразной смеси продуктов при 40,0 °С и 770 мм рт. ст.
в) Установите, какой металл растворили в описанном опыте, и приведите суммарное уравнение протекающей химической реакции.

Answer 1

дано:
- масса металла = 1,00 г
- массовая доля HNO3 = 15,0%
- объем газообразной смеси = 446 см3 (н. у.)
- масса N2 = 117 мг = 0,117 г
- масса NO = 269 мг = 0,269 г
- массовая доля азота в смеси = 60,7%
- температура = 40,0 °C = 313,15 K
- давление = 770 мм рт. ст. = 770 / 760 = 1,01316 атм

найти:
- плотность газообразной смеси
- какой металл был растворен и суммарное уравнение реакции

решение:
а) Продукты, содержащие азот, помимо нитрата металла, могут включать:
1. Азот (N2):
   N2 + 2H2 → 2NH3 (восстановление из аммиака)
   
2. Оксид азота (NO):
   Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO + 2H2O

3. Оксид диазота (N2O):
   2Ag + 4HNO3 → 2AgNO3 + N2O + 2H2O

б) Найдем массу газов в смеси:
масса газа = масса N2 + масса NO = 0,117 г + 0,269 г = 0,386 г

Сначала найдем количество молей газов:
количество молей N2 = масса / молярная масса = 0,117 г / 28 г/моль = 0,00418 моль
количество молей NO = масса / молярная масса = 0,269 г / 30 г/моль = 0,00897 моль

Общее количество молей газа:
n = n(N2) + n(NO) = 0,00418 + 0,00897 = 0,01315 моль

Теперь найдем объем газов при нормальных условиях (н. у.):
V = n * R * T / P
где R = 0,0821 л·атм/(моль·К)

V = 0,01315 моль * 0,0821 л·атм/(моль·К) * (313,15 K) / 1,01316 атм ≈ 0,324 л

Теперь найдём плотность смеси:
плотность = масса / объем = 0,386 г / 0,446 л = 0,866 г/л

в) Рассчитаем, какой металл использовали.
Масса чистого азота в смеси 60,7% от общей массы смеси:
масса смеси = 0,386 г / 0,607 = 0,636 г
масса азота = 0,607 * 0,636 г = 0,386 г

Металл, который часто реагирует с разбавленной азотной кислотой, - это медь (Cu).
Уравнение реакции:
Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO + 2H2O

ответ:
плотность газообразной смеси ≈ 0,866 г/л. Металл, растворенный в опыте, - медь (Cu). Суммарное уравнение реакции: Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO + 2H2O.