Question

17．現有鐵和銅組成的合金共a mol，其中Cu的物質的量分數為x，研成粉末狀后全部投入含bmol HNO₃的稀溶液中，使其充分反應，且HNO₃的還原產物只有NO．試回答下列問題：
（1）隨HNO₃用量的增加，溶液中的金屬離子和殘留固體的成分依次有六種情況，請用粒子符號填寫下列表1空白：

	①	②	③	④	⑤	⑥
溶液中的金屬離子		Fe2+		Fe2+、Cu2+		Cu2+、Fe3+
殘留固體成分	Fe、Cu		Cu

（2）若殘留固體只有銅時，則溶液中可能存在的金屬離子為（填粒子符號）Fe²⁺或Fe²⁺、Cu²⁺；
若合金全部溶解，則溶液中可能存在的金屬離子為（填粒子符號）Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Cu²⁺；
（3）當溶液中金屬離子只有Fe²⁺、Cu²⁺時，b的取值范圍（用a，x表示）$\frac{8}{3}$a≥b＞$\frac{8}{3}$a（1-x）；
（4）當x=0.5，且溶液中Fe³⁺與Fe²⁺和物質的量相等，在標準狀況下共產生672mLNO．
則a=0.04，b=0.12．

Answer 1

分析 （1）由于還原性Fe＞Cu，開始加入硝酸，Fe首先與硝酸反應轉化為Fe（NO₃）₂，Fe完反應時，溶液中溶質為Fe（NO₃）₂，繼續(xù)加入硝酸，Cu參加反應，溶液中溶質為Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，Cu完全溶解后，再加入硝酸會將Fe²⁺離子氧化為Fe²⁺；
（2）結合（1）中分析進行解答；
（3）當溶液中的金屬離子只有Fe²⁺、Cu²⁺時，則Fe完全反應轉化為Fe²⁺，而Cu恰好完全反應或者有剩余，結合方程式計算式；
（4）當x=0.5，溶液中Fe³⁺和Fe²⁺的物質的量相等時，Cu全部轉化為銅離子，根據得失電子守恒和氮原子守恒計算．

解答 解：（1）由于還原性Fe＞Cu，開始加入硝酸，部分Fe首先與硝酸反應轉化為Fe（NO₃）₂，殘留固體為Fe、Cu；
繼續(xù)加入硝酸，Fe完全溶解時，殘留固體為Cu，溶液中溶質為Fe（NO₃）₂；
繼續(xù)加入硝酸，部分Cu參加反應，溶液中溶質為Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，殘留固體為Cu；
繼續(xù)加入硝酸，Cu完全溶解時，溶液中溶質為Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，沒有殘留固體；
再加入硝酸，將部分Fe²⁺離子氧化為Fe²⁺；
繼續(xù)加入硝酸，Fe²⁺全部氧化為Fe²⁺，
故隨HNO₃用量的增加，溶液中的金屬離子和殘留固體的成分依次有六種情況為：

	①	②	③	④	⑤	⑥
溶液中的金屬離子	Fe2+	Fe2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Fe3+、Cu2+	Cu2+、Fe3+
殘留固體成分	Fe、Cu	Cu	Cu	無	無	無

，
故答案為：

	①	②	③	④	⑤	⑥
溶液中的金屬離子	Fe2+	Fe2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Fe3+、Cu2+	Cu2+、Fe3+
殘留固體成分	Fe、Cu	Cu	Cu	無	無	無

；
（2）由（1）中分析可知，若殘留固體只有銅時，則可能存在的金屬離子為Fe²⁺或Fe²⁺、Cu²⁺，若合金全部溶解，則可能的離子為Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Cu²⁺，
故答案為：Fe²⁺或Fe²⁺、Cu²⁺；Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Cu²⁺；
（3）當溶液中的金屬離子只有Fe²⁺、Cu²⁺時，則Fe完全反應轉化為Fe²⁺，而Cu恰好完全反應或者有剩余，
Cu的物質的量為ax mol，Fe的物質的量為a（1-x） mol，
      3 Fe+8 HNO₃=3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，
      3             8
a（1-x）mol    $\frac{8}{3}$a（1-x）mol
與Fe反應后剩余的硝酸為bmol-$\frac{8}{3}$a（1-x）mol，
   3 Cu+8 HNO₃=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，
3            8
ax mol     $\frac{8}{3}$ax mol
則①b＞$\frac{8}{3}$a（1-x）
②$\frac{8}{3}$ax≤b-$\frac{8}{3}$a（1-x）
整理可得：$\frac{8}{3}$a≥b＞$\frac{8}{3}$a（1-x）
故答案為：$\frac{8}{3}$a≥b＞$\frac{8}{3}$a（1-x）；
（4）當x=0.5，溶液中Fe³⁺和Fe²⁺的物質的量相等時，Cu全部為銅離子，所以參加反應的Cu為0.5amol，Fe³⁺和Fe²⁺的物質的量各為0.25amol，
HNO₃→NO，N得3電子，產生672mlNO氣體即0.03mol，總計得0.09 mol電子，
Cu→Cu²⁺，Cu失2電子，則失a mol電子，
Fe→Fe²⁺，Fe失2電子，則失0.5amol電子，
Fe→Fe³⁺，Fe失3電子，則失0.75amol電子，
根據得失電子總數相等，所以：0.09=a+0.5a+0.75a，解得a=0.04，
根據氮原子守恒可知：b=2n[Cu（NO₃）₂]+2n[Fe（NO₃）₂]+3n[Fe（NO₃）₃]+2n（NO）=2×0.04×0.5+2×0.04×0.25+3×0.04×0.25+0.03=0.12；
故答案為：a=0.04；b=0.12．

點評 本題考查混合物有關計算、硝酸的性質等，注意發(fā)生反應的先后順序以及電子守恒、原子守恒的應用，題目難度較大．