有關鐵的變價計算

穆玉鵬

鐵是重要的變價金屬， 無論是單質， 還是化合物， 在一定條件下參加化學反應時都可能發生變價， 因此鐵的變價計算是重點內容.

一、鐵單質參加反應產生兩種價態化合物

例1在含a g HNO3的溶液里放入b g鐵， 鐵完全溶解， 假設有a4g HNO3被還原， 且放出的氣體是NO.試回答： 反應溶液中的溶質是什么？并求與溶質對應的ab的值？

解析稀硝酸是強氧化劑， 鐵單質被氧化Fe（NO3）3， 硝酸被還原成一氧化氮.當HNO3與Fe的量取不同值時， 反應后溶液中的溶質會有所不同：如果硝酸過量， 鐵單質只被氧化成Fe（NO3）3.如果Fe過量， 由Fe（NO3）3有較強的氧化性， 可以氧化Fe單質產生Fe（NO3）2.如果Fe過量的不多， 此時反應后溶液中的溶質應為Fe（NO3）2和

Fe（NO3）3， 涉及到化學反應方程式為：

Fe+4HNO3（稀）Fe（NO3）3+NO↑+2H2O

2Fe（NO3）3+Fe3Fe（NO3）

解題方法選用極值討論法

①假設反應后溶液中溶質皆為Fe（NO3）3， 滿足條件：Fe與HNO3均適量

Fe+4HNO3（稀）

Fe（NO3）3+NO↑+2H2O

56 g4×63 g

b g a g

∵b56=a4×63∴ab=4×6356=92

當ab=92反應后溶液中的溶質應為Fe（NO3）3

②假設反應后的溶液中的溶質皆為Fe（NO3）2，滿足條件Fe與HNO3均適量應用總方程式討論：

2Fe+8HNO3（稀）2Fe（NO3）3+2NO↑+4H2O

2Fe（NO3）3+Fe3Fe（NO3）2

總化學方程式

3Fe+8HNO3（稀）

3Fe（NO3）2+2NO↑+4H2O

3×56 g8×63 g

bga g

∵b3×56=a8×63，

∴ab=8×633×56=31

當ab=31反應后溶液中的溶質為Fe（NO3）2

③假設Fe過量的不多， 2Fe（NO3）3+Fe3Fe（NO3）2反應中Fe（NO3）3不能全部變為Fe（NO3）2， 此時反應后溶液中為Fe（NO3）2和Fe（NO3）3.

從①②中不難得出當31

說明Fe+4HNO3（稀）Fe（NO3）3+NO↑+2H2O（n為物質的量）

3Fe+8HNO33Fe（NO3）2 +2NO↑+4H2O

上述兩個反應中， n（被還原HNO3）n（總HNO3）=14

∴皆為a4g HNO3被還原.

例2現有10.42克純凈鐵粉， 溶于過量的稀硫酸中， 在所得的溶液中加入5.05克硝酸鉀后共熱， 充分反應后部分Fe2+離子氧化.溶液中剩余Fe2+離子恰好被24毫升， 0.3摩/升的酸性高錳酸鉀溶液所氧化（ 被還原為Mn2+）試通過計算確定反應中硝酸鉀被還原后的產物.

解析用圖解法分析題意

此題根據分步反應進行化學方程式計算顯然麻煩，特別是書寫本題涉及氧化還原反應離子方程式也有較大難度，因此是不可取的解題方法.

此題應根據關系式及電子得失守恒法解題.

設Fe粉溶于過量的稀H2SO4后Fe2+的物質的量為x.

Fe～Fe2+

56 g 1 mol

10.42 g x

x=10.42 g×1 mol56 g=0.186 mol

Fe2+～Fe3+～e-

0.186 mol 0.186 mol

MnO-4～Mn2+～5e-

1 mol 5 mol

0.024 L×0.3 mol/L5×0.024 L×0.3 mol/L

設硝酸鉀被還原產生的氮元素化合價為y.

KN+5O3～Ny ～（5-y）e-

101 g （5-y）mol

5.05 g5.05×（5-y）101mol

依據電子得失數守恒

0.186=5.05×（5-y）101+0.024×0.3×5y=+2

∴還原產物為NO.

二、鐵的化合物參加化學反應變價

例3在2 L Fe2（SO4）3和CuSO4的混合溶液中，加入30 g純鐵粉，充分反應后得到2 L 0.25 mol/L的FeSO4溶液以及26 g固體沉淀物，求原混和溶液中Fe2（SO4）3和CuSO4的物質的量濃度.

解析此題是有關混合物計算，也是判斷反應物是否過量的計算.解題關鍵要求分析清楚反應物鐵粉是否過量，26g固體沉淀物是混合物還是純凈物.

混合物的計算一般可采用代數法列方程求解.

通過極值法討論30g鐵粉是否過量.

依據題意n（Fe2+）=2×0.25=0.5 mol

①假設FeSO4皆由Fe2（SO4）3+Fe3FeSO4反應而得，求m（Fe）=？

設需Fe質量為x g

Fe2（SO4）3+Fe3FeSO4

56 g 3 mol

x 0.5 mol

②假設FeSO4皆由CuSO4+FeFeSO4 +Cu反應而得，m（Fe） =？

設需Fe質量為y g

CuSO4 +FeFeSO4 +Cu

56 g1 mol

y0.5 mol

通過①、②討論30 g鐵粉分別與CuSO4和Fe2（SO4）3反應需鐵粉質量<30 g

∴鐵粉過量，即：26g固體應為剩余Fe與生成Cu的質量之和

依據題意，設原混合溶液中含Fe2（SO4）3物質的量為x，含CuSO4的物質的量為y

Fe2（SO4）3+Fe3FeSO4

xx3x

CuSO4+FeFeSO4+Cu

yyyy

列方程式

3x+y=2×0.2530-56（x+y）+64y=26

x=0.1（mol）y=0.2（mol）

∴c（Fe2（SO4）3）=0.1 mol2 L=0.05 mol/L

c（CuSO4）=0.2 mol2 L=0.1 mol/L

例4將鐵和三氧化二鐵的混合物2.72 g，加入50 mL 1.6 mol/L的鹽酸中恰好完全反應，滴入KSCN溶液后不顯紅色.若忽略化學反應中溶液體積變化，則在所得溶液中Fe2+離子的物質的量濃度為多少？

解析審題是關鍵.依據題意完全反應后溶液中滴入KSCN溶液不顯紅色說明溶液中無Fe3+，因此涉及到反應為

Fe+2HClFeCl2+H2↑

Fe2O3+6HCl2FeCl3+3H2O

2FeCl3+Fe3FeCl2

本題屬混合物的計算，可用代數法列方程求解

解Ⅰ.設混合物中Fe物質的量為x，Fe2O3物質的量為y.

Fe2O3+6HCl2FeCl3+3H2O

y6y2y

2FeCl3+Fe3FeCl2

2y y 3y

Fe+2HClFeCl2+H2↑

（x-y） 2（x-y） （x-y）

列方程：56x+160y=2.722（x-y）+6y=0.05×1.6

解得x=0.02 mol，y=0.01 mol

∴c（Fe2+）=（0.02-0.01）+0.01×30.05=0.8 mol/L

Ⅱ.上述解法較為復雜，如巧用電荷守恒法可使計算大為簡化

反應物恰好完全反應，溶液中有下列關系

Fe2+～2Cl-

∴c（Fe2+）=12c（Cl-）=12×1.6 mol/L

=0.8 mol/L

（收稿日期：2014-10-17）