有关氨氧化法制硝酸教学的一个辅助方程式

氨氧化法制硝酸是中学《化学》及《无机化学》课程中的一个比较重要的教学内容。它涉及了三个化学反应方程式：

4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O ……（1）

2NO+O₂=2NO₂ ……（2）

3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO↑……（3）

这三个反应方程式，无论是单个地看，还是作为一个组合的整体，在化学教学中都占有十分重要的位置。因为，在讨论物质间的相互转变，氧化还原反应的举例，进行化学计算时，都常常会涉及到这些反应。

这部分教学的一个难点是，反应（3）中的反应物并没有完全变成硝酸，而发生的是一个歧化反应。导致只有2/3的NO₂变成了硝酸，又有部分NO被产生了出来。这使得讨论工业生产中，氨气与硝酸的理论量间的关系，出现了一些麻烦。

解决这个问题，通常有三个方法。

1. 级数法

就反应（3）与反应（2），这两个反应来讨论问题。

反应（3）的含义是，2/3的NO₂变成了硝酸，1/3的NO₂变成了NO。即NH₃转化为HNO₃的转化率为2/3，而剩余的NO只占N元素的1/3。

在氧气充足的情况下，通过反应（2），剩余的1/3NO能够全部变成NO₂。它们再与H₂O进行一次反应（3），就会使NH₃转化为HNO₃的转化率又增加2/9。而剩余的NO只占N元素的1/9。

这剩余的占N元素1/9的NO，还会与氧气反应，再进行反应（3），使NH₃转化为HNO₃的转化率又增加为2/27。使剩余的NO只占N元素的1/27。

这样不断地反应下去，NH₃转化为HNO₃的转化率就会不断增加。这个不断增加的序列是，2/3、2/9、2/27、2/81、2/243……。

这样教师就可以说，对这个数列求和，其数学上的解是1。也就是说NH₃可以完全转化为HNO₃。而最终可得出，NH₃与HNO₃的物质的量关系为1：1。

这个方法虽然很严谨，但是如果有对数学比较感兴趣的学生，要求教师介绍一下这个等比数列的求和方法，一般教师是不怎么愿意去回答他的。这样就有了如下的方法。

2. 物理描述

如果不是计算转化率，而是考虑NO的剩余量，问题讨论起来是要容易得多的。

反应（3）的含义是，2/3的NO₂变成了硝酸，1/3的NO₂变成了NO。即剩余的NO只占N元素的1/3。

在氧气充足的情况下，这些NO通过反应（2）能够全部变成NO₂。它们再与H₂O进行一次反应（3），就会使剩余的NO只占N元素的1/9。

这剩余的只占N元素1/9的NO，还会与氧气反应，再进行反应（3），使剩余的NO只占N元素的1/27。

这样不断地反应下去，剩余的NO占N元素的分数就会是1/81、1/243……。剩余的NO会越来越少，以致于完全转化为硝酸。最终有NH₃与HNO₃的物质的量关系为1：1。

这样，问题也得到了解决。但是，这个分析与第一个方法一样，有一个固有的矛盾，就是这个反应模式也过于机械了。在有充足氧气与NO₂共存的情况下，难道氧气与NO间的反应不是随时随地在进行，怎么所有分子会按照“统一号令”，这样分步来进行呢？

要有一个更贴近实际的，学生也同样容易理解的解释方法。

3. 化学方程式的组合

要知道，反应（3）是一个在完全不存在O₂的条件下，NO₂与水间反应的化学方程式。

在有氧气存在的情况下，反应（3）中的“副产物”NO可以完全变成NO₂，继续完成变成HNO₃的反应，直至完全耗尽。NO顶多算是一个中间产物，是一个在反应式中根本就不应该出现的物种。

要消去NO才能得到，真正的在“有氧气存在”情况下NO₂与水反应的方程式。而在化学上，可以很容易地做到这一点。只要利用反应方程式间的加减，将反应（3）中的NO消去就可以了。

为此，从“2×反应（3）+反应（2）”，有

4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃ ……（4）

这才是，氨氧化法制硝酸工业生产中，真正在进行的最后一步反应。

即便考虑到还有无O₂条件NO₂与H₂O的反应，不宜于用反应（4）完全替代掉反应（3）。也应该承认反应（4）是一个重要的反应。

从形式上看，反应（4）是硝酸分解反应的逆反应。

它清楚地指出，在生成硝酸时，NO₂、O₂和H₂O以物质的量4:1:2，这个比值来相互进行反应。

从氧化还原反应的角度看，反应（4）的含义是：O₂是氧化剂，而NO₂是还原剂。

当O₂的量不足或有剩余时，用反应（4）来对NO₂和H₂O的反应进行计算，会显得尤为方便。可以将反应（4）看作是一个重要的辅助工具。如下面两例。

例1. 有一瓶NO₂和O₂以3:1的体积比混合起来的气体。扣入水中后，保持瓶内外液面一齐。瓶中剩余气体的溶解度不计。求瓶中剩余气体占原体积的几分之几？

解：由反应（4）一眼就可以看出O₂是过量的。对此可计算如下：

设：反应掉的O₂为原体积1的x倍。

    4NO₂ + O₂+2H₂O=4HNO₃

        4   ：1

        3   ：x

由4：1=3：x，有x=3/4。这是反应掉的O₂体积。

剩余的O₂体积为1-3/4=1/4。

原来混合气体的总体积为3+1=4。1/4÷4=1/16。

即，剩余气体O₂的体积为原混合气体体积的1/16。

例2. 将例1中NO₂和O₂的体积比改为7:1，来计算。

当然，这是NO₂过量的情况。考虑到有O₂与无O₂时，NO₂与水反应的情况不同。最好将反应过程分为两部分来讨论。

对有O₂的反应（4），设：反应掉NO₂的体积数为x。

    4NO₂ + O₂+2H₂O=4HNO₃

         4   ：1

         x   ：1

有x=4。这是反应掉的NO₂体积。剩余NO₂的体积数是7-4=3。

对无O₂的反应（3），设：反应掉NO₂的体积数为y。

     3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO↑

     3         ：          1

        3              ：            y

可解得y=1。

考虑到原混合气体体积为8个单位，剩余NO仅有1的单位，它是是原体积的1/8。

总之，反应（4）是一个不难被学生掌握的反应。在教学中如能用点时间介绍给学生，还是有诸多益处的。