金屬和硝酸的計算解題規律

何靜琳

金屬與硝酸的反應是一類典型的氧化還原反應,其有關計算涉及知識面廣,對初學這部分內容的同學來說難度較大。以下是我對這一部分教學的理解和在實際教學中的應用。

一、反應的本質

金屬與硝酸反應的實質是金屬與氫離子和硝酸根離子共同作用。

例1.銅粉放入稀硫酸溶液后,加熱后無明顯現象發生,當加入下列一種物質后,銅粉質量減少,溶液呈藍色,同時有氣體產生,該物質可能是()

A.硫酸鐵

B.碳酸鈉

C.硝酸鉀

D.硫酸亞鐵

解析:銅不能與稀硫酸反應,但稀硫酸提供H+, 鹽提供NO3-,構成強氧化條件,能溶解銅并產生氣體。答案選C。

例2.鐵銅混合物加入不足量的硝酸,反應后,剩余金屬m1克,再向其中加入一定量稀硫酸。充分振蕩后,剩余金屬m2克,則m1與m2的關系是()

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:鐵銅混合物與不足量的硝酸反應后生成硝酸鹽,即溶液中的鹽含有硝酸根離子,再加稀硫酸提供氫離子,發生氧化還原反應,會再溶解一部分金屬。答案選A。

二、氮元素的守恒思想

硝酸和不活潑金屬反應一般生成硝酸鹽和氮氧化物,在此硝酸擔當了兩個角色,一是酸二是氧化劑。如果分別知道了二者的物質的量,也就知道了總消耗的硝酸的物質的量。如:銅和硝酸反應中,當3摩爾銅和8摩爾硝酸反應時,作為酸的硝酸的物質的量=6摩爾,即金屬的物質的量與金屬的化合價的乘積(3mol×2),作為氧化劑的硝酸的物質的量=2摩爾,即NO的物質的量。2mol+6mol=8mol,就是硝酸的總物質的量。特別提出的是:當銅和濃硝酸反應氣體產物是NO2時,同樣存在作為氧化劑的硝酸的物質的量等于氣體的物質的量的定量關系。也就是說,當硝酸由濃變稀得到NO和NO2的混合氣體產物時,也同樣存在上述1:1的定量關系。在這里體現了氮元素守恒的思想。

例3.將25.6毫克銅與1.4×10-3摩爾的濃硝酸恰好完全反應,反應后收集到的氣體在標準狀況下的體積為 毫升。(假設反應中只產生NO或NO2)

解析:因為1mol銅參加反應生成硝酸銅對應2mol硝酸顯酸性,所以25.6毫克Cu完全反應,必然有0.8×10-3mol的硝酸顯酸性,其余的硝酸中的氮全轉移到NO或NO2中,即有1mol硝酸作氧化劑就有1mol氮的氧化物(NO或NO2)。答案13.44mL。

例4.將1.92克銅粉與一定量濃硝酸恰好完全反應,反應后收集到的氣體在標準狀況下的體積為1120毫升。(假設反應中只產生NO或NO2)則消耗硝酸的物質的量為 mol。

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

解析:因為0.03mol銅參加反應生成硝酸銅對應0.06mol硝酸顯酸性,0.05mol氮的氧化物(NO或NO2)對應0.05mol硝酸作氧化劑,所以共消耗硝酸0.11mol。答案選B。

三、從得失電子守恒的角度看

一般情況下金屬失去的電子被+5價的氮得到,轉化為NO或NO2,根據得失電子解題。

例5.在銅與稀硝酸反應中,如果有1摩爾硝酸被還原,則被氧化的銅的物質的量為

mol。

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

解析:設被氧化的銅的物質的量為xmol,則根據得失電子守恒有:

1×(5-2)=2x答案選C

四、從反應始態和最終狀態看

終態法的運用使許多復雜問題簡單化,在化學計算中具有非常重要的地位。

例6.銅鎂合金4.6克完全溶于濃硝酸中,若反應中硝酸被還原,只產生4480毫升NO2氣體和336毫升N2O4氣體(標準狀況下)。反應后的溶液中加足量氫氧化鈉溶液,生成沉淀的質量為 克。

解析:反應中銅鎂合金失去電子,最終轉化為氫氧化銅和氫氧化鎂沉淀,比較始態和終態,固體增加的質量為氫氧根離子的質量,而氫氧根離子的物質的量等于轉移的電子的物質的量,再根據氣體計算轉移的電子的物質的量=4480mL/22400mL·mol-1+(336mL/

22400mL·mol-)×2=0.23mol。

所以沉淀的質量為:4.6+0.23×17=8.51g

例7.1.92克銅投入到一定量的濃硝酸中,銅完全溶解,生成的氣體的顏色越來越淺,共收集到672毫升的氣體(標準狀況下)。將盛有此氣體的容器倒扣在水槽中,通入標準狀況下一定體積的氧氣,恰好使氣體完全溶于水,則通入的氧氣的體積為 毫升。

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

解析:從反應的始態和最終狀態看,銅在反應中失去電子,氧氣在反應中得電子,設通入的氧氣的體積為xmL,則:

(1.92/64)×2=(x/22400)×4

解得:x=336,答案選C。

作者單位:四川省洪雅中學