有关硝酸与金属反应的计算

高中化学硝酸与金属反应的计算是一个难点,本文从思维角度加以阐述,供大家参考。 

    一、从反应的本质看:

 金属与硝酸反应的实质是金属与H+和NO3- 共同作用.

 例如:铜与稀硝酸反应的实质是:

  3Cu +8H+ +2NO3-  ===3Cu2+ +4H2O +2NO↑

   Fe2+与稀硝酸反应的实质是:

   3Fe2+ + 4H+ + NO3- === 3Fe3+ + 2H2O + NO↑

  例 1.铜粉放入稀硫酸溶液后,加热后无明显现象发生,当加入下列一种物质后,铜粉质量减少,溶液呈蓝色,同时有气体产生,该物质可能是(   ) 。

 A. Fe2 (SO4) 3 B. Na2CO3    C. KNO3 D.FeSO4

解析: 铜不能与稀硫酸反应,但稀硫酸提供H+, 盐提供NO3-，构成强氧化条件，能溶解铜并产生气体。答案选 C。

例2.铁铜混合物加入不足量的硝酸,反应后,剩余金属m1 g,再向其中加入一定量稀硫酸.充分振荡后, 剩余金属m2 g, 则m1与m2的关系是(   )。

A. m1一定大于m2   B. m1一定等于m2   C. m1可能等于m2   D. m1可能大于m2

解析: 铁铜混合物与不足量的硝酸反应后生成硝酸盐,即溶液中的盐含有NO3-,再加稀硫酸提供H+,发生氧化还原反应,会再溶解一部分金属。答案 选A。

   例3.已知Fe2+可以水解: Fe2+ +2H2OFe(OH) 2+2H+，现向Fe(NO3) 2溶液中加入足量的稀硫酸,则溶液的颜色(   ) 。

 A. 浅绿色加深   B.颜色变浅    C.溶液变黄    D.无法判断

  解析: 原Fe (NO3) 2溶液中含有NO3-,再加入稀硫酸提供H+,发生氧化还原反应

3Fe2+ + 4H+ + NO3-  === 3Fe3+ + 2H2O + NO↑  溶液变黄,答案 选  C

 例4.在100 mL 混合溶液中, HNO3 和 H2SO4 的物质的量浓度分别是 0.4 mol/L, 0.1 mol/L 向该混合液中加入 1.92 g铜粉,加热待充分反应后,所得溶液中 Cu2+ 的物质的量浓度是(   )。

  A. 0.15      B.  0.225    C.  0.35      D.  0.45

 解析: 题中告诉了HNO3和H2SO4的物质的量浓度,可以求出H+ 和NO3- 的物质的量分别是 0.06 mol,  0.04 mol, 0.03 mol Cu,显然要判断过量, NO3- 和Cu 过量.按照 H+ 的量代入离子方程式计算.答案 选B。

二、从硝酸在反应中的作用:

 参加反应的硝酸一部分显酸性,生成硝酸盐,另一部分作氧化剂,一般转化为氮的氧化物(NO或NO 2),根据氮元素守恒解题。

 例5.将25.6 mg Cu 与1.4×10-3 mol 的浓硝酸恰好完全反应,反应后收集到的气体在标准状况下的体积为   ml。(假设反应中只产生NO或NO 2)

解析: 因为1 mol Cu参加反应生成Cu (NO3)2对应2 mol HNO3 显酸性,所以25.6 mg Cu 完全反应,必然有0.8×10-3 mol 的硝酸显酸性,其余的硝酸中的氮全转移到NO或NO2中,即有1 mol HNO3 作氧化剂就有1 mol 氮的氧化物(NO或NO2)。答案13.44 mL.。

例6.将1.92 g 铜粉与一定量浓硝酸恰好完全反应,反应后收集到的气体在标准状况下的体积为 1120 mL。(假设反应中只产生NO或NO 2)则消耗硝酸的物质的量为   mol。

 A. 0.12   B.  0.11     C.0.09    D.0.08

解析:  因为0.03 mol Cu 参加反应生成 Cu(NO3)2 对应 0.06 mol HNO3 显酸性,0.05 mol 氮的氧化物(NO或NO2)对应0.05 mol HNO3作氧化剂,所以共消耗硝酸0.11 mol。  答案 选B。

例7.为测定某铜银合金的成分,将30 g 合金完全溶解于80 mol、浓度为 13.5 mol/L的浓硝酸中,合金完全溶解后,收集到6.72 L(标准状况下)的气体 (假设反应中只产生NO或NO2),并测得溶液的pH=0 ， 假设反应后溶液的体积仍80 mL。

(1)被还原的硝酸的物质的量.

(2)合金中各金属成分.

解析:(1)被还原的硝酸就是作氧化剂的硝酸,即生成的1 mol 氮的氧化物就对应 1 mol 被还原的硝酸:所以:

n=6.72/22.4=0.3 mol

(2)设合金中铜银的物质的量分别为x、y则显酸性的硝酸的物质的量为2x + y

因为PH=0则反应后溶液的氢离子浓度为1

    64x+108y=30 ①

  2x+y+6.72/22.4=0.08×13.5–0.08×1 ②(氮元素守恒)

 解得x=0.3  y=0.1

 例8.将6.4 g Cu与80 mol/L 60 mL 的硝酸充分反应,铜完全溶解,反应后溶液中的H+ 的物质的量为a mol.(假设反应中只产生NO或NO2),此时溶液中所含NO3-的物质的量为  mol。

 A.   0.28   B.  0.31    C.  a+0.2   D.  a+0.4

 解析: 6.4 g Cu反应后生成0.1 mol Cu (NO3)2,再加上 HNO3 中的 NO3- 。即得答案 C 。

    三、从得失电子守恒的角度.

 一般情况下:金属失去的电子被+5价的氮得到,转化为 NO 或 NO2 ,根据得失电子解题。

 例 9.在Cu与稀硝酸反应中,如果有1 mol 硝酸被还原,则被氧化的铜的物质的量为    mol。

  A . 3/8   B.  8/3    C . 3/2   D.  2/3

  解析: 设被氧化的铜的物质的量为x mol.则根据得失电子守恒有:1×(5-2)=2x

  答案 选C

  例10.题见例7 (3) 求生成的气体的成分。

解析: (2)已解出铜银的物质的量分别为0.3 、 0.1,则 NO 和 NO2的物质的量的关系式为：

    0.3×2+0.1×1=3n(NO)+ n(NO2) ①(得失电子守恒)

n(NO)+ n(NO2)=6.72/22.4 ②

  解得n(NO)=0.2  n(NO2)=0.1

    四、从反应始态和最终状态看。

    终态法的运用使许多复杂问题简单化,在化学计算中具有非常重要的地位。

  例11.铜镁合金4.6 g 完全溶于浓硝酸中,若反应中硝酸被还原,只产生 4480 mL NO2 气体和 336 mL N2O4气体(标准状况下).反应后的溶液中加足量NaOH溶液,生成沉淀的质量为  g。

   解析: 反应中铜镁合金失去电子,最终转化为 Cu(OH)2 和 Mg(OH)2 沉淀,比较始态和终态,固体增加的质量为OH-的质量,而OH-的物质的量等于转移的电子的物质的量,再根据气体计算转移的电子的物质的量:

    n=4480 mL /22400 mL·mol-1+(336 mL/22400 mL·mol-)×2=0.23 mol。

   所以沉淀的质量为: 4.6+0.23×17=8.51 g 

   例12.1.92 g Cu投入到一定量的浓硝酸中,铜完全溶解,生成的气体的颜色越来越浅,共收集到 672 mL 的气体(标准状况下).将盛有此气体的容器倒扣在水槽中,通入标准状况下一定体积的氧气,恰好使气体完全溶于水,则通入的氧气的体积为  mL。

  A .  168     B. 224     C . 336  D. 504

   解析: 从反应的始态和最终状态看,铜在反应中失去电子,氧气在反应中得电子,设通入的氧气的体积为x mL,则:

    (1.92/64)×2=(x/22400) ×4   解得:x=336，  答案选C。

   例13.将32.64 g 铜粉与140 mL 一定量浓硝酸恰好完全反应,铜完全溶解,反应后收集到的气体在标准状况下的体积为11.2 L.(假设反应中只产生 NO 或NO2 )请回答:

    (1)NO的体积为 mL；NO2的体积为 mL。

   (2)待产生的气体全部释放后,向溶液中加入v mL a mol/L的 NaOH 溶液,恰好使溶液中的 Cu2+ 全部沉淀,则原硝酸的浓度为    a mol/L

   (3)欲使铜与硝酸反应生成的气体在溶液中完全转化为 NaNO3 ,至少需要30%的双氧水     g。

   解析:(1)设反应中产生NO和NO2的体积分别为x、y(据得失电子守恒有)

     x+y=11.2①   (x/22.4)×3+(y/22.4) ×1=(32.64/64)×2  解得x=5.824 L  y=5.376 L

(2)根据反应后的溶液中只有一种溶质NaNO3 ,设原硝酸的物质的量浓度为C

   （由氮元素守恒）则 0.14×C= 10-3 ×v×a + 11.2/22.4

    得原硝酸的浓度为:

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