“氮族元素”計算常見錯解剖析

文章編號：1005－6629(2008)07－0067－03中圖分類號：G632.479 文獻標識碼：B

在“氮族元素”一章中有很多類型的計算，例如有關硝酸的計算、氮的氧化物與O2的混合氣體溶于水后氣體體積或溶液濃度的計算等，這些計算是化學計算中的重點和難點。我在教學實踐中發現，學生在解答這部分習題時，經常易犯各種各樣的錯誤。現將常見錯解歸納如下。

1有關硝酸的計算

例1．某溶液100mL，其中含硫酸0.03mol、硝酸0.04mol，若在該溶液中投入1.92g銅粉并微熱，充分反應后，在標準狀況下生成NO氣體的體積為()

A．0.448LB．0.224LC．0.336LD．無法確定

錯解：3Cu ＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O

3×64g8mol44.8L

1.92g0.04mol V(NO)

因為1.92×8＞0.04×3×64，所以Cu過量，按硝酸計算求得 V(NO)=0.224L，選B。

錯解原因：忽略了硫酸的存在。在Cu(NO3)2溶液中有，如果向此溶液中加入H2SO4，它電離出的H+遇到則相當于HNO3，能與銅繼續反應，生成更多的NO。

正確解答：在涉及硝酸與硫酸(或NaHSO4)的混合液跟金屬反應時，應把握住反應的實質—金屬與硝酸之間發生的氧化還原反應。涉及到有關的計算時，應該用離子方程式：3Cu＋8H+＋2NO3-=3Cu2+＋2NO↑＋4H2O去解，否則就會出現錯誤。

本題中， m(Cu)=1.92g，n(NO3-)=0.04mol， n(H+)=2n(H2SO4)＋n(HNO3)=0.1mol，根據：3Cu＋8H+＋2ＮO3-=3Cu2+＋2NO↑＋4H2O可判斷出Cu、H+、三者中Cu不足， 應依據銅的量進行計算。結果:V(NO)=0.448L。 答案：A。

例2．銅與1mol/L的硝酸反應時，如果硝酸根離子的濃度下降0.2mol/L，則溶液中的c(H+)同時下降( )

A．0.2mol/LB．0.4mol/L C．0.6mol/LD．0.8mol/L

錯解：由3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O可知，硝酸根離子的濃度下降0.2mol/L，則HNO3的濃度下降0.2mol/L，H+的濃度也一定下降0.2mol/L，選A。

錯解原因：硝酸與金屬反應時，硝酸表現出酸性和氧化性，因為硝酸呈酸性，所以反應后必然有一部分仍留在溶液中，與金屬離子結合成鹽，因此其濃度沒有H+的濃度下降得快。

正確解答：由3Cu＋8H+＋2NO3-=3Cu2+＋2NO↑＋4H2O知，此反應中消耗的H+與NO3-的物質的量之比為4∶1，因此，若硝酸根離子的濃度下降0.2mol/L，則溶液中的 c(H+)同時下降0.8mol/L。答案：D。

應注意：硝酸與非金屬反應時，與H+是按等物質的量濃度同時減少的。

例3．某元素的單質跟濃HNO3反應時，若參加反應的單質與硝酸的物質的量之比為1∶4，濃HNO3被還原為NO2，則該元素在產物中顯示的化合價可能是()

A．+1B．+2C．+3D．+4

錯解：假定該元素為R， 其氧化產物為R(NO3)x，則該元素在產物中的化合價為x。設R的單質為1 mol，反應時失去的電子的物質的量為xmol；參加反應的硝酸應為4 mol，被還原的硝酸為(4－x)mol，其得到的電子的物質的量為(4－x)×1mol。由得失電子守恒有：x=(4－x)×1， 解得x=2。答案：B。

錯解原因：僅僅考慮了金屬單質而忽略了非金屬單質的情況，造成漏解。

正確解答：還應該考慮非金屬單質的情況。若R為非金屬單質，它在產物中的化合價為y，1molR可失去ymol電子。此種情況下4mol硝酸全部被還原，其得到的電子的物質的量為4mol。由得失電子守恒有：y=4，故D選項也是正確的。本題答案：B、D。

例4． 38.4gCu與適量的濃硝酸反應，銅全部作用后，共收集到22.4L氣體（標準狀況），則反應消耗的HNO3的物質的量可能是(不考慮NO2轉化成N2O4的反應)()

A．1.0molB．2.0molC．2.2molD．2.4mol

錯解（1）：Cu與濃硝酸的反應為： Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O。因銅全部作用，故依據銅的質量和上述方程式可求出消耗硝酸的物質的量為2.4mol，選D。

錯解（2）：認為發生的反應為： Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，22.4L氣體為NO2。依據NO2的體積和上述方程式可求出消耗硝酸的物質的量為2.0mol，選B。

錯解原因：沒有考慮到硝酸濃度的變化會引起氣體產物的變化。濃硝酸與銅反應時，隨著反應的進行，硝酸的濃度變小，其還原產物則由以NO2為主變為以NO為主。

正確解答(守恒法)：用常規解法需要討論氣體的成分，然后根據銅與濃硝酸和稀硝酸反應的化學方程式求解，雖能得到結果，但這種方法是相當復雜的。用守恒法則可使計算大為簡化。具體過程為：

把參加反應的HNO3分為兩部分：顯酸性的HNO3和作氧化劑的HNO3。顯酸性的HNO3即最終生成Cu(NO3)2的HNO3，其物質的量為38.4g/64g·mol－1×2=1.2mol；作氧化劑的HNO3即被還原生成NO2和NO的HNO3，其物質的量應該與NO2和NO氣體的總的物質的量相等，為22.4L/22.4L·mol－1=1.0mol。根據N原子守恒，反應消耗HNO3的物質的量為1.0mol＋1.2mol=2.2mol。答案：C。

例5．一定量的鐵粉恰好與8L0.25 mol/L的稀硝酸完全反應，硝酸的還原產物只有NO，則被還原的硝酸的物質的量為（ ）

A．1.0mol B．0.8mol

C．0.5molD．條件不足，無法計算

錯解：認為Fe是變價金屬，則可能發生的反應：

3Fe＋8HNO3(稀)=3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O①

Fe＋4HNO3(稀)=Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O②

題目未給出Fe的物質的量，無法知道發生反應①和②的硝酸的物質的量，因而無法計算被還原的硝酸的物質的量，選D。

錯解原因：未認真分析金屬與硝酸反應的規律。

正確解答：若+n價金屬單質M與稀硝酸反應時硝酸的還原產物僅為NO，則其化學方程式為：

3M＋4nHNO3(稀)=3M(NO3)n＋nNO↑＋2nH2O

從該方程式可以看到，金屬單質與稀硝酸反應時，若硝酸的還原產物僅為NO，則被還原的HNO3的量總是占參加反應的HNO3總量的1/4，而與金屬的價態無關。這是一個非常重要的規律。本題中，被還原的硝酸的物質的量為：8L×0.25mol/L×1/4=0.5mol。答案：C。

2有關NOx與O2的混合氣體溶于水后溶液濃度的計算

例6．標準狀況下，將NO與O2迅速混合并充滿試管后，將試管倒立于水中，假定生成的溶質不向外擴散且最終液體充滿整個試管，則所得溶液中HNO3的物質的量濃度為_____mol/L。

錯解原因：該題中NO氣體的體積并不是試管的體積。因為該題所給試管中充入的是“預先混合好的NO與O2的混合氣體”，所以混合氣體的總體積才是試管的體積。根據題意知最終液體充滿整個試管，則NO與O2應該恰好反應，根據其化學方程式：4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3可知NO的體積實際上只占試管體積的4/7。

［變式］標準狀況下，將一充滿NO的試管倒扣于水中，然后向試管中緩緩通入一定量的O2，假定生成的溶質不向外擴散，當試管中恰好充滿溶液時，所得溶液中溶質的物質的量濃度為_______mol/L。

提示：要注意此題與例6的區別，此題中NO氣體的體積等于試管的體積。

3 有關NOx與O2的混合氣體溶于水后氣體體積的計算

例7．將NO、NO2和O2混合后充滿一試管并將該試管倒立于水中，結果水充滿整個試管。則三者的體積比可能為（）

A．1:1:1 B．5:1:4C．1:2:1 D．任意比

錯解：NO、NO2和O2混合氣體與H2O發生的反應有

4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3（1）

4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3 （2）

因水充滿整個試管，則三種氣體無如何一種剩余，故將兩式相加得：

NO＋NO2＋O2＋H2O=2HNO3

因此NO、NO2和O2的體積比為1:1:1，選A。

錯解原因：隨意疊加兩個無任何關系的平行反應，就會將反應物的物質的量比限制為一個固定的值，從而縮小了其范圍。舉一個很淺顯易懂的例子：

鎂、鋅混合物與硫酸反應時，發生的反應為

Mg＋H2SO4=MgSO4＋H2↑

Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑

若將這兩個方程式疊加，得：

Mg＋Zn＋2H2SO4=MgSO4＋ZnSO4＋2H2↑

在這個方程式中，Mg與Zn的物質的量之比為1∶1。但是，略加思考就會知道，鎂、鋅的混合物與硫酸反應時，Mg與Zn的物質的量之比只能為1∶1嗎？這顯然是隨意疊加方程式的后果。因此，無任何關系的平行反應是不能隨意疊加的，否則會導致漏解。

正確解答：設NO、NO2和O2的體積分別為a、b、c，因NO、NO2和O2均完全反應，由阿伏加德羅定律和得失電子守恒得：3a＋b=4c，可以看出此式有無窮多解，a∶b∶c=1∶1∶1僅是其中一種情況。a∶b∶c=5∶1∶4也滿足3a＋b=4c，因此B選項也正確。答案：A、B。

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