硝酸反应与氮氧化物吸收

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酸性硝酸根的计量要同时核H⁺与NO₃⁻；氮氧化物吸收要先定水、氧气与碱各自是否存在。相同氮元素经过不同终态，耗氧与电子数会改变。

本章浓酸及有毒NO、NO₂体系只用于纸面推理，不能自行产气、闻气或尝试收集；实验须教师依据学校通风、尾气与腐蚀风险评估组织，颜色描述不替代安全措施。NIOSH NO危害与空气氧化说明、NIOSH NO₂危害说明

一、知识点理解概念

1. 硝酸成盐不一定只是中和

HNO₃中N为+5价。水溶液的酸性涉及H⁺参加酸碱反应；氧化性则须看谁接受电子、生成何种还原产物。金属被氧化同时成盐，不因看到硝酸盐就统称中和。

硝酸可受光、受热分解：

\mathrm{4HNO_3\xrightarrow{\text{光照或加热}}4NO_2\uparrow+O_2\uparrow+2H_2O}.

纯硝酸与溶有NO₂而显黄色的浓硝酸应分清；颜色不是浓度或杂质来源的唯一测量。课堂铜反应的常见浓、稀路线为：

\mathrm{Cu+4HNO_3\text{（浓）}\to Cu(NO_3)_2+2NO_2\uparrow+2H_2O}

\mathrm{3Cu+8HNO_3\text{（稀）}\to 3Cu(NO_3)_2+2NO\uparrow+4H_2O}.

浓酸式Cu失2电子、两N各得1；稀酸式三Cu共失6、两N各得3。盐中的NO₃⁻并未全部还原，所以总耗硝酸与被还原的硝酸根量不同。

2. H⁺与NO₃⁻是联合条件

在本章转为NO的酸性水溶液模型中：

\mathrm{NO_3^-+4H^++3e^-\to NO+2H_2O}.

每mol NO₃⁻还需要4 mol H⁺及3 mol电子。H⁺可以由混合液的其他酸提供，不能以“硝酸分子用完”代替整个酸性NO₃⁻体系的限量判断；也不能把任何中性硝酸盐溶液都按同样强酸氧化模型处理。

浓酸常见NO₂、稀酸常见NO，只是题给金属与条件下的路线，不是所有金属、任意稀度的唯一产物表。“强氧化性酸与金属绝不产H₂”也不作任意条件通则：例如本题混酸中的NO₃⁻耗尽，H⁺仍剩，后段可进入金属与酸产H₂路线。其他还原产物、氧化剂或沉淀出现时必须重判。

Fe、Al在课堂常温浓硝酸中钝化，是表面保护层抑制继续反应，不等于硝酸无氧化性；温度、浓度、表面状态改变后重新判断。Cu与稀硝酸先产NO，后接空气出现NO₂红棕色，不能把最终颜色全归最初气体；溶液蓝绿等颜色也不独证唯一粒子或浓度。

3. 只加水与继续加氧的终态不同

先列NO、NO₂、O₂各自是否存在以及量，再写实际路线：

\mathrm{2NO+O_2\to 2NO_2},\qquad \mathrm{3NO_2+H_2O\to 2HNO_3+NO}.

纯NO₂、足水、生成NO保留且同温同压比较的简化模型中，残NO约为初始NO₂量的1/3。若再供足O₂，NO可以重复氧化、吸收，整个终态不是“仍剩1/3 NO”。把相应过程合并：

起始氮氧化物	完全到HNO₃的理论净式	所需O₂
NO	$\mathrm{4NO+3O_2+2H_2O\to 4HNO_3}$	每4 mol NO需3 mol O₂
NO₂	$\mathrm{4NO_2+O_2+2H_2O\to 4HNO_3}$	每4 mol NO₂需1 mol O₂

前者N从+2到+5共失12电子，3O₂得12；后者四N各升1，共失4电子，O₂得4。先查O₂是否限量；O₂过量时剩气可能含O₂，不能又全按NO认定。若有其他气体、物理溶解、逸散或相关平衡影响，还须使用题给条件，不能仅由气体变少或变色求全部组成。

4. 碱吸收的氮价态由配比决定

\mathrm{2NO_2+2OH^-\to NO_2^-+NO_3^-+H_2O}

这条是歧化：一个N从+4到+3得1电子，另一个到+5失1电子。

\mathrm{NO+NO_2+2OH^-\to 2NO_2^-+H_2O}

这条是归中：NO的N从+2升到+3，NO₂的N从+4降到+3，各转移1电子。NO单独在本章常见条件下不能靠强碱充分化学吸收；加入O₂或有适当NO₂配合时，路线才不同。因此尾气处理不能仅写“通NaOH”就忽略气体组成和氧化条件。

5. 工业硝酸按氮去向和回流分段

原料NH₃、空气、水各有作用，空气不是纯O₂，不将其中全部气体都算作氧化剂。课堂主要路线：

\mathrm{4NH_3+5O_2\xrightarrow{\text{催化剂、加热}}4NO+6H_2O}.

四个N从−3升到+2共失20电子，五O₂共得20电子。随后NO被O₂氧化为NO₂，NO₂被水反应吸收成HNO₃并生成NO；这份NO可回氧化段。催化条件与目标选择性用题给依据，不另填任意工厂的运行参数，也不把无催化的其他氧化产物混进这一式。

EPA工艺资料也将氨氧化、NO氧化、吸收分为不同步骤，并说明吸收中生成的NO需再氧化；这里只借证工艺逻辑，不沿用其历史产能、运行参数或排放数值。EPA硝酸工艺说明

回流NO不新增N原子。若无其他氮输入且无损失，原NH₃中的N等于产品酸中的N；有尾气、循环库存或副产物就须另列。在全部氮最终到+5的理想完全终态，可合成净关系：

\mathrm{NH_3+2O_2\to HNO_3+H_2O}.

这是全路线净计量，不是实际一步反应，也不是某台反应器单次100%转化的证据。浓缩、分离所依据的挥发性、溶解性、脱水信息须按题给数据，不用一个“易溶”假定所有气体同一回收率。

6. 氮原子、纯酸质量与溶液体积分别记

初始总N量＝溶液中各含氮组分的N量＋残气及其他输出、库存中的N量。某物质的mol不总等于N原子mol，含两个N就要乘2；电子账另按各支路实际升降价求和。

求HNO₃质量先由N收支得n，再乘摩尔质量；求酸溶液质量还要质量分数。指定组分浓度用其n除终态溶液体积，不能直接把加入水的体积当所得酸溶液总体积。气体体积也要使用对应温压与题给模型。

二、考点掌握方法

1. 产气曲线按限量切换分段

先看横轴质量还是物质的量，纵轴是否明确体积、mol及状态；若只写“气体”，就从金属质量和方程式算，不编纵轴单位。然后逐段问：酸性NO₃⁻还够不够，已有Fe³⁺是否先被新铁还原，最后是否还有H⁺可产H₂。

路线	适用的本题条件	每mol新增Fe的去向
Fe＋NO₃⁻＋4H⁺→Fe³⁺＋NO＋2H₂O	酸性NO₃⁻路线、氮唯一还原产物NO	失3电子，产1 mol NO，耗4 mol H⁺
Fe＋2Fe³⁺→3Fe²⁺	按题给顺序转入已有Fe³⁺归中	新Fe失2电子，2Fe³⁺各得1；无新气体
Fe＋2H⁺→Fe²⁺＋H₂	前述氧化组分耗尽且余酸存在	失2电子，产1 mol H₂，耗2 mol H⁺

平台可以仍有金属反应，也可以是后来的金属已过量。必须结合所在阶段判断，不把整条曲线都当同一种气体。

例题 01 混酸中逐渐加入铁粉

题目

向400 mL稀硫酸和稀硝酸的混合溶液中逐渐加入铁粉，产生气体的量随铁粉质量的变化如图所示(已知硝酸只被还原为NO气体)。下列说法错误的是

A．A点溶液中的溶质为Fe₂(SO₄)₃和H₂SO₄

B．AB段的反应为Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺

C．反应中生成的n(NO)：n(H₂)=1：2

D．最终溶液中溶质的物质的量浓度约为1 mol·L⁻¹

答案与解析

解析

按图A在11.2 g，B在16.8 g，C在22.4 g；C后平台延到28 g刻度。纵轴只标“气体”，没有mol或L刻度，气体量从横轴反算。

段	新增参与Fe/mol	反应与产物
OA	11.2/56＝0.20	产NO 0.20 mol、Fe³⁺0.20 mol；耗NO₃⁻0.20 mol、H⁺0.80 mol
AB	(16.8−11.2)/56＝0.10	恰消耗0.20 mol已有Fe³⁺，生成Fe²⁺共0.30 mol；不产气
BC	(22.4−16.8)/56＝0.10	耗H⁺0.20 mol，生成H₂0.10 mol、再增Fe²⁺0.10 mol

A．A点NO₃⁻按题模型耗尽，已有Fe³⁺与余酸；两种初始酸的范围内，溶质可写Fe₂(SO₄)₃与H₂SO₄，正确。

B．AB为Fe＋2Fe³⁺→3Fe²⁺，产品铁包括原溶液铁与新增铁两种来源，无气不等于没反应，正确。

C．NO∶H₂＝0.20∶0.10＝2∶1，不是1∶2，错误。

D．最终参与Fe 22.4/56＝0.40 mol，在本题终态全成为FeSO₄；按“约”并忽略体积变化取0.400 L，c约1 mol/L，正确。不能拿28 g全算参与铁，也不把初体积当任何过程的精确终体积。

反推总H⁺为0.80＋0.20＝1.00 mol；初NO₃⁻0.20 mol，HNO₃对应提供0.20 mol H⁺，其余0.80 mol H⁺由0.40 mol H₂SO₄提供。A点0.20 mol Fe³⁺对应0.10 mol Fe₂(SO₄)₃，用去0.30 mol硫酸根，尚余0.10 mol H₂SO₄，亦与后续产氢耗0.20 mol H⁺吻合。这些反推限两酸、NO唯一氮还原产物及题设顺序。

本题结论

C。

2. 每条箭头都要补真正能实现的条件

看清要求是“一步直接转化”还是允许多步。先检查每条箭头方向，再落实反应对象、浓度、温度或分离条件；价态相差并不自动证明存在相应反应。

例题 02 四组物质的直接转化

题目

下表列出的物质中，不能按图示路径直接进行转化的是

选项	甲	乙	丙
A	Na₂O₂	NaHCO₃	Na₂CO₃
B	NO	HNO₃	NO₂
C	H₂SO₄	H₂SO₃	SO₂
D	SiO₂	H₂SiO₃	Na₂SiO₃

答案与解析

解析

原图含乙→甲、甲→丙、乙→丙和丙→乙四条箭头，逐条核对。

A．NaHCO₃不能按本题常见课堂路线一步直接成为Na₂O₂，乙→甲不满足，故选A。不能用多步先成碳酸盐再另行处理，冒充原要求的直接箭头。

B．NO遇O₂可成NO₂；NO₂遇水生成HNO₃并伴有NO；浓HNO₃与Cu的相应路线可成NO₂，稀HNO₃与Cu可成NO。四箭头按这些不同条件可实现，不表示相同介质或NO₂全量一次成为酸。

C．热浓H₂SO₄与Cu可成SO₂；SO₂入水用亚硫酸课堂模型表示，亚硫酸可分解回SO₂、也可被氧化为H₂SO₄。每条都有相应条件，不用物质名字替代反应依据。

D．SiO₂或H₂SiO₃均可在相应条件下与NaOH形成Na₂SiO₃，Na₂SiO₃经HCl酸化生成硅酸，硅酸受热分解成SiO₂；按原课堂模型四箭头可实现。

氮工艺中保留NO₂遇水生成的NO，再让它氧化、吸收，才完整记氮与耗氧。图中HNO₃返向气体的铜反应又是另一类路线，不把所有箭头都当同一工厂步骤。