硝酸與金屬反應的計算

王萌麗

一、硝酸與金屬反應的有關計算方法

硝酸與金屬反應的計算主要圍繞“得失電子守恒”“氮原子守恒”兩個守恒思想來解題。

（1）得失電子守恒。硝酸與金屬的反應屬于氧化還原反應，氮原子得到電子的總數等于金屬原子失去電子的總數。

（2）原子守恒。硝酸與金屬反應時，反應物HNO₃中NO₃^—一部分仍以NO₃^—的形式存在，一部分轉化為還原產物，這兩部分中N的物質的量之和與反應消耗的HNO₃中N的物質的量相等。

以Cu與硝酸反應為例來說明。①Cu與足量濃硝酸反應：Cu+4HNO₃（濃）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O根據得失電子守恒，n（e）=2n（Cu）=n（NO₂）。根據氮原子守恒，消耗的n（HNO₃）=2n[Cu（NO₃）₂]+n（NO₂）。②Cu與足量稀硝酸反應：3Cu+8HNO₃（稀）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O根據得失電子守恒，n（e）=2n（Cu）=3n（NO）。根據氨原子守恒，消耗的n（HNO₃）=2n[Cu（NO₃）₂]+n（NO）。③Cu與一定量的濃硝酸反應：反應開始時，還原產物是NO₂;隨著反應的進行，濃硝酸變為稀硝酸，還原產物為NO，整個反應過程中，還原產物為NO₂和NO的混合氣體。

根據得失電子守恒，n（e）=2n（Cu）=n（NO₂）+3n（NO）。根據氮原子守恒，消耗的n（HNO₃）=2n[Cu（NO₃）₂]+n（NO₂）+n（NO）。

角度1.得失電子守恒法

例1.將12.8g銅片加入100mL一定濃度的硝酸溶液中，銅片完全溶解，產生NO和NO₂的混合氣體4.48L（標準狀況下）;若向反應后的溶液中加入400mL2mol·L^-1NaOH溶液，能使溶液中的Cu²⁺恰好完全沉淀。 下列說法不正確的是（?? ）

A.混合氣體中NO和NO₂的體積比為1：1

B.原硝酸溶液的物質的量濃度為10mol·L^-1

C.銅片與硝酸反應過程中轉移電子0.4mol

D.反應后溶液中剩余的NO₃^—物質的量為0.4mol

解題思路：這類題目一般把硝酸分成兩部分分別計算，一部分是表現氧化性而被還原的，根據還原產物的量進行計算;另一部分表現酸性，根據溶液中硝酸根離子的量來計算。在計算過程中，可以綜合運用得失電子守恒、氮原子守恒及其他相關離子的守恒來簡化計算過程。

解析：12.8g銅片的物質的量為0.2mol，加入100mL一定濃度的硝酸溶液中，銅片完全溶解，所以銅失去電子的物質的量為0.4mol。產生NO和NO₂的混合氣體4.48L（標準狀況下），該氣體的總物質的量為0.2 mol;根據得失電子守性可得3n（NO）+n（NO₂）=0.4 mol，結合n（NO）+n（NO₂）=0.2 mol，可以計算出n（NO）=0.1 mol、n（NO₂）=0.1 mol，所以混合氣體中NO和NO₂的體積比為1：1。若向反應后的溶液中加入400mL2 mol.L^-1的NaOH溶液，則加入的氧氧化鈉的物質的量為0.8 mol，能使溶液中的Cu²⁺恰好完全沉淀，根據鈉原子守恒可以推斷溶液中一定有0.8mol硝酸鈉生成，所以反應后溶液中剩余的NO₃^—的物質的量為0.8mol。再根據氮原子守恒，可以計算出原來硝酸的物質的量為0.2 mol+0.8 mol=1 mol，由于原硝酸溶液的體積為0.1L，所以原硝酸溶液的物質的量濃度為1mol/0.1L=10 mol·L^-1，綜上所述，D錯誤。

角度2.原子守恒法

例2：38.4 mg Cu與適量的濃硝酸反應，Cu全部反應后，共收集到22.4mL（標準狀況下）氣體。反應消耗的HNO₃的物質的量是（??? ）

A.1.0×10^-3mol??????????? B.1.6×10^-3 mol

C.2.2×10^-3mol?????????? D.2.4×10^-3mol

解題思路：由于硝酸反應的復雜性而使該類計算有一定的難度，但只要掌握恰當的方法和技巧，巧用原子守恒法、極端假設法，就會使問題由難變易，使解答過程由復雜變簡單，從而提高解題速度。

解析：Cu跟濃硝酸反應的化學方程式為Cu+4HNO₃（濃）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O。隨著反應的進行，濃硝酸會逐漸變成稀硝酸，反應則變為3Cu+8HNO₃（稀）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O。

解法1原子守恒法

由題知：n（Cu）=n[Cu（NO₃）₂]=38.4×10^-3g/64g·mol^-1 =6.0×10^-4mol，n（NO、NO₂）=22.4mL×10^-3/22. 4 L · mol^-1=1×10^-3mol

根據氮原子守恒法，參加反應的HNO₃一部分表現酸性，一部分表現氧化性，表現氧化性的HNO₃被還原為NO、NO₂，故反應消耗的n（HNO₃）=nHNO₃（酸性）+nHNO₃（氧化性）=2×6×10^-4mol+1×10^-3mol=2.2×10^-3mol

則C項正確。

解法2 極端假設法

由題知n（Cu）=38.4×10^-3g/64g·mol^-1 =6.0×10^-4mol，若38.4 mg Cu 全部與濃硝酸反應，根據Cu+4HNO₃（濃）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O則可求得參加反應的n（HNO₃）=6.0×10^-4mol×4=2.4×10^-3mol若38.4mgCu全部與稀硝酸反應，根據3Cu+8HNO₃（稀）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，則可求得參加反應的n（HNO₃）=6.0×10^-4mol x 3/8=1.6×10^-3 mol。

事實上Cu先與濃硝酸反應，濃硝酸變稀后，又與稀硝酸反應，所以消耗的HNO₃的物質的量應在1.6×10^-3mol和2.4×10^-3mol之間。觀察選項可知應選C。