Question

12．已知：Pb的化合價只有+2、+4，且+4價的Pb具有強氧化性，能氧化濃HCl生成Cl₂；PbO₂不穩定，隨溫度升高按下列順序逐步分PbO₂→Pb₂O₃→Pb₃O₄→PbO．現將a mol PbO₂加熱分解，收集產生的O₂；向加熱后所得固體中加入足量的濃鹽酸，收集產生的Cl₂．加熱反應后所得固體中，Pb²⁺占Pb元素的物質的量分數為x；兩步反應中收集的O₂和Cl₂的物質的量之和為y mol．
試回答下列問題：
（1）試寫出Pb₂O₃與濃鹽酸反應的化學方程式Pb₂O₃+6HCl（濃）═2PbCl₂+Cl₂↑+3H₂O．
（2）用含x與a的表達式表示產生的O₂、Cl₂的物質的量n（O₂）=$\frac{ax}{2}$mol，n（Cl₂）=（1-x）a．
（3）寫出y與a、x的函數關系式：y=（1-$\frac{x}{2}$）amol．
（4）若兩步反應中O₂和Cl₂的物質的量之比為5：3，則剩余固體中含有的物質為Pb₃O₄、PbO；其物質的量之比為3：4．
（5）PbO₂和Pb經常作制造蓄電池的原材料，鉛蓄電池的工作原理：
Pb+PbO₂+2H₂SO₄$?_{充電}^{放電}$2PbSO₄+2H₂O．現有一種生產NH₄NO₃的新工藝，電解NO制備NH₄NO₃，其工作原理如圖所示，為使電解產物全部轉化為NH₄NO₃，需補充物質A，A是NH₃，說明理由：根據總反應式：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4NH₄NO₃+2HNO₃，電解產生的HNO₃多．
生產1噸硝酸銨需消耗Pb的物質的量是3881kg（保留到整數）．

Answer 1

分析 （1）Pb₂O₃中+3價的Pb具有強氧化性，能氧化濃鹽酸，+3價的Pb被濃鹽酸還原成+2價，確定生成物PbC1₂、C1₂、H₂O，再配平可得化學方程式；
（2）根據題意，確定反應物為PbO₂，寫出方程式，再利用方程式進行計算求解；
（3）根據氧化還原反應的本質電子得失守恒求出n（O₂）、n（Cl₂），即得y與x的函數關系；
（4）根據兩步反應中O₂和Cl₂的物質的量之比為3：5，求出x的值，確定出n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）的比值，再設法求解即可；
（5）電解NO制備NH₄NO₃，由圖可知乙為陽極反應為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，甲為陰極反應為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，從兩極反應可看出，要使得失電子守恒，陽極產生的NO₃^-的物質的量大于陰極產生的NH₄⁺的物質的量，總反應方程式為：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此若要使電解產物全部轉化為NH₄NO₃，需補充NH₃，根據電子守恒計算．

解答 解：（1）Pb₂O₃中Pb的化合價只有+3，且+3價的Pb具有氧化性，能氧化濃鹽酸生成C1₂，本身被還原成+2價Pb，生成PbC1₂，根據元素守恒得反應物與生成物并根據化合價升降法配平該氧化還原反應，得出Pb₂O₃+6HCl（濃）═2PbCl₂+Cl₂↑+3H₂O，
故答案為：Pb₂O₃+6HCl（濃）═2PbCl₂+Cl₂↑+3H₂O；
（2）根據題意：1mol PbO₂分解所得混合物中n（Pb²⁺）=x mol、n（Pb⁴⁺）=（1-x） mol．在反應過程中1mol PbO₂中+4價的Pb具有強氧化性作氧化劑，
+4價的Pb最終全部降低為+2價，根據得失電子守恒：先加熱分解生成O₂，得n（O₂）=$\frac{2x}{4}$a=$\frac{x}{2}$amol；
后再與足量的濃鹽酸反應生成Cl₂，得n（Cl₂）=a×$\frac{（1-x）×2}{2}$=（1-x）a mol，
故答案為：$\frac{ax}{2}$mol；a（1-x）mol；
（3）y=n（O₂）+n（Cl₂）=$\frac{x}{2}$mol+（1-x）a mol=（1-$\frac{x}{2}$）amol，故答案為：y=（1-$\frac{x}{2}$）amol；
（4）若兩步反應中O₂和Cl₂的物質的量之比為5：3，根據上述分析：n（O₂）=a×$\frac{x}{2}$=mol，n（Cl₂）=a（1-x）mol，即 $\frac{x}{2}$：（1-x）=5：3，解得：x=$\frac{10}{13}$，則剩余固體中含pb²⁺的物質的量分數為$\frac{10}{13}$，含pb⁴⁺的物質的量分數為 $\frac{3}{13}$，即n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=10：3，
由題意，PbO₂不穩定逐步分解順序：PbO₂→Pb₂O₃→Pb₃O₄→PbO．因為Pb的化合價只有+2、+4，所以Pb₂O₃可表示為PbO•PbO₂，Pb₃O₄可表示為2PbO•PbO₂，各氧化物中n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）的比值關系為：
PbO₂中，n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=0：1
Pb₂O₃中，n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=1：1
Pb₃O₄中，n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=2：1
PbO中，n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=1：0，
根據剩余固體中n（pb²⁺）：n（pb⁴⁺）=10：3，介于3：1和4：1之間，所以此時剩余固體包括Pb₃O₄、PbO兩種物質，
設剩余固體中Pb₃O₄物質的量為a、PbO物質的量為b，
得n（pb²⁺）=2a+b，n（pb⁴⁺）=a，
則（2a+b）：a=10：3
解得a：b=3：4，即Pb₃O₄：PbO=3：4，
故答案為：Pb₃O₄、PbO；3：4；
（5）電解NO制備NH₄NO₃，由圖可知乙為陽極反應為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，甲為陰極反應為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，從兩極反應可看出，要使得失電子守恒，陽極產生的NO₃^-的物質的量大于陰極產生的NH₄⁺的物質的量，總反應方程式為：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此若要使電解產物全部轉化為NH₄NO₃，需補充NH₃；
由電子守恒可知：5NH₄NO₃～～～15e^-～～～$\frac{15}{2}$Pb
               5×80                $\frac{15}{2}$×207
               1000kg               xkg
解得x=$\frac{\frac{15}{2}×207×1000kg}{5×80}$=3881kg；
故答案為：NH₃；根據總反應式：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4NH₄NO₃+2HNO₃，電解產生的HNO₃多；3881．

點評 本題考查氧化還原反應知識、電解原理的應用，利用化合價升降法配平，抓住本質電子的得失守恒是解題的關鍵，同時結合中間值確定反應產物．題目難度中等，側重于考查學生對基礎知識的綜合應用能力和分析能力．