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这道题涉及铜镁合金与浓硝酸反应的计算。首先,我们需要计算初始硝酸的物质的量。硝酸溶液的质量是50毫升乘以密度1.40克每毫升,等于70克。纯硝酸的质量是70克乘以63%,等于44.1克。硝酸的摩尔质量是63克每摩尔,所以初始硝酸的物质的量是44.1除以63,等于0.70摩尔。注意题目中硝酸的密度单位应为克每毫升,而非克每升。
第二步,我们计算合金中铜和镁的物质的量。根据合金总质量和沉淀总质量,我们可以列出两个方程:铜的摩尔质量63.5乘以铜的物质的量,加上镁的摩尔质量24.3乘以镁的物质的量,等于1.52克;氢氧化铜的摩尔质量97.5乘以铜的物质的量,加上氢氧化镁的摩尔质量58.3乘以镁的物质的量,等于2.54克。解这个方程组,得到铜的物质的量为0.02摩尔,镁的物质的量为0.01摩尔,比例为2比1。第三步,计算气体组成。金属失去的电子总量为0.06摩尔,气体总量为0.05摩尔。设NO₂的物质的量为x,N₂O₄的物质的量为y,列方程求解得到NO₂为0.04摩尔,N₂O₄为0.01摩尔,NO₂的体积分数为80%。
第四步,我们计算加入的氢氧化钠溶液体积。首先计算反应中消耗的硝酸总量。被还原生成NO₂和N₂O₄的硝酸为0.06摩尔,生成硝酸盐的硝酸也为0.06摩尔,共消耗0.12摩尔硝酸。初始硝酸为0.70摩尔,所以过量的硝酸为0.58摩尔。中和这些过量硝酸需要0.58摩尔氢氧根。沉淀铜离子和镁离子需要的氢氧根为0.06摩尔。总共需要的氢氧根为0.64摩尔。加入的氢氧化钠溶液体积等于总氢氧根物质的量除以氢氧化钠浓度,即0.64摩尔除以3.20摩尔每升,等于0.2升,即200毫升。这与选项C相符。
第五步,我们计算最终溶液中溶质的物质的量浓度。反应结束后,溶液中的溶质是硝酸钠。钠离子的物质的量等于加入的氢氧化钠的物质的量,为0.64摩尔。硝酸根的物质的量等于初始硝酸物质的量减去被还原的硝酸物质的量,即0.70减0.06,等于0.64摩尔。因此,硝酸钠的物质的量为0.64摩尔。溶液总体积为初始溶液体积加上加入的氢氧化钠溶液体积,即50毫升加200毫升,等于250毫升,即0.25升。所以,最终溶液中溶质的物质的量浓度为0.64摩尔除以0.25升,等于2.56摩尔每升,而不是选项D中的2.4摩尔每升。因此,选项D是错误的。
让我们总结一下这道题的解析。首先,我们计算出铜镁合金中铜与镁的物质的量之比为2比1,这验证了选项B是正确的。其次,我们确定混合气体中NO₂的体积分数为80%,验证了选项A是正确的。然后,我们计算出加入的3.20摩尔每升氢氧化钠溶液的体积为200毫升,验证了选项C是正确的。最后,我们计算出最终溶液中硝酸钠的浓度为2.56摩尔每升,而不是选项D中的2.4摩尔每升,因此选项D是错误的。解题的关键点包括:正确计算硝酸的物质的量,注意密度单位;根据合金质量和沉淀质量确定金属组成;分析气体组成和电子转移关系;计算氢氧化钠用量时考虑中和酸和沉淀金属离子;以及计算最终溶液浓度时注意物质守恒。所以,本题的答案是D。