思維模型在含氮化合物相關計算中的應用

■安徽省蒙城第一中學 郝 丹

■安徽省合肥市第六中學 馬善恒

氮及其化合物是高中化學的重要內容,是元素化合物的重要組成部分,也是高考的熱點。氮及其化合物知識的計算考點較多,部分考生在解決這些問題的時候會感到困惑、迷茫,不知從何做起。現結合具體實例進行總結歸納,在含氮物質計算過程中建立思維模型,助力問題解決。

一、氮的氧化物與O2、H2O 反應的計算

氮的氧化物有很多,如N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5,教材中重點介紹了NO、NO2的性質,如無色的NO 氣體在空氣中變為紅棕色的NO2氣體,涉及反應2NO+;以及NO2溶于水,涉及反應。基于該性質的氣體體積計算問題的考查是常見題目類型,將兩個方程式進行變換得到總反應方程式和4NO2+是解決問題的關鍵。

例1將裝有30 mL NO 和O2混合氣體的試管倒立在盛水的水槽中,直到水面不再上升為止,此時試管內剩余氣體的體積為16 mL(同溫同壓下),則原混合氣體中NO的體積為( )。

①8 mL ②24 mL ③16 mL ④9 mL

A.①② B.②③

C.①④ D.③④

解析：首先分析剩余氣體成分,由總反應知NO 與O2按4∶3的體積比反應,假設剩余氣體為O2,則,如果剩余的氣體為NO,則16mL=24mL。下),則原混合氣體中氧氣體積為( )。

①1.2 mL ②2.4 mL ③3 mL ④4 mL

A.①② B.②③

C.①④ D.③④

解析：首先分析剩余氣體成分,由總反應知NO2與O2按4∶1 的體積比反應,假設剩余氣體為O2,則4 mL,如果剩余的氣體為NO,則由3NO2+3=6 mL,那么總反應中參與反應的NO2和O2的總體積為12 mL-6 mL=6 mL,則。

答案：C

思維模型：(1)明確NO、NO2與O2混合氣體溶于水的計算,最后剩余氣體不會是NO2,要么是NO,要么是O2。

(2)借助氮氧化物與O2、H2O 的總反應方程式即和利用差量法求氣體的體積。

如果是NO、NO2和O2三種混合氣體通入水中,則先依據+NO 計算生成NO 的體積,然后加上原來氣體中NO 的體積,再依據4NO+3O2+計算。

例3將盛有12 mL NO 和36 mL NO2混合氣體的燒瓶倒置于水中,通入一定量O2,完全反應后,剩余氣體體積為4 mL,則充入O2的體積可能為( )。

A.19 mL B.20 mL C.21 mL D.22 mL

解析：由反應知生成的NO 體積為

答案：A

例2在一定條件下,將12 mL NO2(不考慮N2O4)和O2的混合氣體通入足量水中,充分反應后剩余2 mL 氣體(同溫同壓12 mL,加上原來NO 體積得V(NO)=12 mL+12 mL=24 mL,再由4NO+3O2+求算充入O2體積,先假設剩余氣體為O2,則NO 反應完,V(O2)=,再假設剩余氣體為NO,則反應的NO 體積為24 mL-4 mL=20 mL,所以15 mL。

答案：D

二、噴泉實驗產物濃度的計算

噴泉實驗是高中化學中一個非常美麗的實驗,美麗的實驗后溶液濃度的求算也是一大難點,因為這類題目中通常沒有可直接利用的數據,導致無從下手。將燒瓶看成一個整體,給燒瓶內氣體設定體積是突破口,再依據反應找出溶質物質的量和溶液體積,問題便迎刃而解。

例4用一充滿氨氣的燒瓶做噴泉實驗,當水充滿整個燒瓶后,燒瓶內的氨水的物質的量濃度是(按標準狀況下計算)( )。

A.0.045 mol·L-1B.1 mol·L-1

C.0.029 mol·L-1D.不能確定

解析：氨氣溶于水形成氨水,其溶質為氨氣。設燒瓶的容積為VL,則形成溶液的體積為VL,溶質的物質的量為,故所得溶液的物質的量濃度為。

答案：A

例5用如圖1所示的裝置做噴泉實驗,該實驗條件下的氣體摩爾體積為aL·mol-1,最終液體充滿了燒瓶,則燒瓶內溶液的物質的量濃度約是( )。

圖1

解析：由4NO2+O2+2H2O ＝＝4HNO3可知,若液體充滿燒瓶,NO2、O2的體積比為4∶1,設混合氣體中含有4 L NO2、1 L O2,則燒瓶的體積為5 L,則。

答案：C

思維模型：(1)根據化學反應和條件確定溶質的物質的量和溶液的體積。

三、金屬單質與硝酸反應的計算

硝酸重要的化學性質之一便是強氧化性,由金屬與硝酸反應而呈現的計算題較多,如果考生根據題目意思寫出一步步反應再去解決問題,將會使問題復雜化,準確率低,效率低。基于這樣的思考,我們通過例題建立金屬與硝酸反應的思維導圖,找出氮原子的轉化過程,通過圖示利用守恒法快速解決問題。

例6足量銅與一定量的濃硝酸反應,得到硝酸銅溶液和NO2、NO 的混合氣體2.24 L(標準狀況),這些氣體與一定體積的O2(標準狀況)混合后通入水中,所有氣體完全被水吸收生成硝酸。若向所得硝酸銅溶液中加入50 mL 4 mol·L-1NaOH 溶液,則Cu2+恰好完全沉淀。下列說法正確的是( )。

A.此反應過程中消耗的銅的質量是12.8g

B.混合氣體中NO2的體積分數是50%

C.參加反應的HNO3的物質的量是0.4 mol

D.消耗氧氣(標準狀況)的體積為1.68 L

解析：,則消耗的銅的質量為m=nM=0.1 mol×64g·mol-1=6.4g,故A 項錯誤。設NO2、NO 物質的量分別為xmol、ymol,結合轉移電子守恒得①x+y=0.1,②x+3y=0.1×2,聯立兩式,解得x=0.05,y=0.05,則混合氣體中NO2的體積分數是,故B項正確。Cu 足量,則硝酸完全反應,反應后的溶液中溶質為Cu(NO3)2,Cu(NO3)2和NaOH 反應后的溶液中溶質為NaNO3,根據N 原子守恒知,起酸性作用的n(HNO3)=n(NaNO3)=n(NaOH)=0.2 mol,作氧化劑的,參加反應的酸為生成硝酸銅和氮氧化物的硝酸,則參加反應的n(HNO3)=(0.2+0.1) mol=0.3 mol,故C項錯誤。該反應中轉移電子物質的量=2×n(Cu)=2×0.1 mol=0.2 mol,根據轉移電子數相等知,消耗氧氣體積=22.4 L·mol-1=1.12 L,故D 項錯誤。

答案：B

思維模型：HNO3中氮原子的轉化過程,巧用兩守恒解決問題。

(1)根據Na原子、N 原子和金屬原子守恒可求起酸性作用或參加反應的硝酸的量。

(2)根據得失電子守恒:Cu 失電子數=NOx得電子數=O2得電子數,可求NO、NO2、參與反應的Cu以及消耗O2的量。

變式：一定質量的銅與濃硝酸恰好完全反應,生成NO2、N2O4、NO 的混合氣體,這些氣體與2.24 L O2(標準狀況下)混合后通入水中,所有氣體被水完全吸收生成硝酸。則參加反應的銅的質量為( )。

A.3.2g B.6.4g

C.12.8gD.條件不足,無法計算

答案：C

如果遇到金屬投入到混合酸(如H2SO4和HNO3)或硝酸鹽與酸混合物中(如KNO3和H2SO4),將采用金屬與的離子反應方程式解決問題。

例7某稀溶液中含有4 mol KNO3和2.5 mol H2SO4,向其中加入1.5 mol 鐵粉,充分反應(已知被還原為NO),最終溶液體積為1 L。下列說法正確的是( )。

C.反應后生成NO 的體積為33.6 L(標準狀況下)

D.所得溶液中的溶質只有FeSO4

解析：從比例關系來看,只有H+完全反應。

鐵粉剩余1.5 mol-1.25 mol=0.25 mol,硝酸根離子剩余4 mol-1.25 mol=2.75 mol,所得溶液中,故A 項正確。n(Fe3+)=1.25 mol,剩余n(Fe)=0.25 mol,從比例關系來看,鐵粉完全反應。

鐵離子剩余:1.25 mol-0.5 mol=0.75 mol,生成n(Fe2+)=0.75 mol,所得溶液中c(Fe2+)∶c(Fe3+)=0.75∶0.75=1∶1,故B項錯誤。反應后生成NO 的體積為V(NO)=n(NO)×Vm=1.25 mol×22.4 L·mol-1=28 L(標準狀況下),故C 項錯誤。反應所得溶液中陽離子為鐵離子、亞鐵離子和鉀離子,陰離子為硫酸根離子和硝酸根離子,故D 項錯誤。

答案：A

高中化學復習中要注重思維模型的建立,這樣解題時可以很快從題目中尋找到重要信息,解決問題的思路更加清晰,從而提高解題效率,而且能通過思維模型的建立解決這一類問題。