Question

20．硝酸是重要的氧化劑，鐵、銅是生活中常見的金屬．
（1）Fe與Cu混合物與65%的硝酸反應會產生大量NO₂，該反應使用的硝酸的物質的量濃度為14.44mol/L（已知ρ=1.4g/cm³）．
（2）各為0.1mol的Cu與Fe混合物與足量的某濃度的硝酸反應產生4.48L氣體（標準狀況下），則該反應消耗的硝酸為0.7mol．
（3）4.4gFe與Cu混合物與過量的硝酸反應，放出的氣體與標準狀況下的1.12L的氧氣混合后通入水中恰好被完全吸收，則其中銅的質量為1.6g．
（4）Fe與Cu混合物共有a mol，其中銅的物質的量分數為X，將該混合物全部投入b mol的硝酸中使其充分反應，假定硝酸的還原產物僅有NO，
①若溶液中金屬離子只有Fe²⁺、Cu²⁺時，則b的取值范圍是$\frac{8α（1-x）}{3}$＜b≤$\frac{8α}{3}$（用a、x表示）．
②若x=0.2時，溶液Fe²⁺與Fe³⁺的物質的量相等時，在標準狀況下產生NO 6.72L，求a、b的值．（寫出簡要的計算過程）

Answer 1

分析 （1）依據溶液中溶質物質的量濃度和溶質質量分數的換算關系計算得到，c=$\frac{1000ml/L×ρg/c{m}^{3}×w%}{Mg/mol}$；
（2）銅和鐵與足量硝酸反應發(fā)生氧化還原反應，硝酸被還原為氮氧化物，金屬被氧化為硝酸鹽，依據氮元素守恒計算元硝酸溶液的濃度；
（3）銅、鐵與過量的硝酸反應生成硝酸銅、硝酸鐵與氮的氧化物，氮的氧化物與氧氣、水反應生成硝酸，縱觀整個過程，金屬提供的電子等于氧氣獲得的電子，根據二者質量與電子轉移列方程計算．根據m=nM計算銅的質量；
（4）①當溶液中的金屬離子只有Fe²⁺、Cu²⁺時，說明Cu恰好完全反應或者有剩余，而HNO₃和Fe則完全反應（如果有硝酸剩余，則Fe²⁺則會被進一步氧化為Fe³⁺；如果有Fe剩余，則會和Cu²⁺繼續(xù)反應），
HNO₃→NO，N得3電子，設被還原的HNO₃為y mol，總計得3y mol電子，
Cu→Cu²⁺，Cu失2電子，設參加反應的Cu為z mol，總計失2z mol電子，
Fe→Fe²⁺，Fe失2電子，參加反應的Fe為a（1-x） mol，總計失2a（1-x） mol電子，
根據得失電子總數相等，所以：3y=2z+2a（1-x） ①
反應中起酸作用的硝酸生成Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，起氧化劑作用的硝酸生成NO，由N元素守恒，所以有：y+2a（1-x）+2z=b ②
聯立方程，消去y，可得b的表達式（用a、x、z表示），參加反應的Cu的物質的量z的取值大于0，最大為ax，帶入b的表達式計算．
②當x=0.2，溶液中Fe³⁺和Fe²⁺的物質的量相等時，Cu全部為銅離子，根據得失電子守恒和氮原子守恒計算．

解答 解：（1）Fe與Cu混合物與65%的硝酸反應會產生大量NO₂，該反應使用的硝酸的物質的量濃度=$\frac{1000ml/L×1.4g/c{m}^{3}×65%}{63g/mol}$=14.44mol/L，
故答案為：14.44；
（2）各為0.1mol的Cu與Fe混合物與足量的某濃度的硝酸反應產生4.48L氣體（標準狀況下），物質的量n=$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，銅和鐵與足量硝酸反應發(fā)生氧化還原反應，硝酸被還原為氮氧化物，金屬被氧化為硝酸鹽，Cu（NO₃）₂，Fe（NO₃）₃，氮元素守恒計算，則該反應消耗的硝酸物質的量=0.1mol×2+0.1mol×3+0.2mol=0.7mol，
故答案為：0.7；
（3）銅、鐵與過量硝酸反應生成硝酸銅、硝酸銀鐵與氮的氧化物，氮的氧化物與氧氣、水反應生成硝酸，縱觀整個過程，金屬提供的電子等于氧氣獲得的電子，
n（O₂）=$\frac{1.12L}{22.4L/mol}$=0.05mol，
設Cu、Fe的物質的量分別為x、y，則：
根據質量列方程：x×64g/mol+y×56g/mol=4.4g
根據電子守恒列方程：2x+3×y=0.05mol×4
解得：x=0.025mol；y=0.05mol
m（Cu）=0.025mol×64g/mol=1.6g，
故答案為：1.6；
（4）①當溶液中的金屬離子只有Fe²⁺、Cu²⁺時，說明Cu恰好完全反應或者有剩余，而HNO₃和Fe則完全反應（如果有硝酸剩余，則Fe²⁺則會被進一步氧化為Fe³⁺；如果有Fe剩余，則會和Cu²⁺繼續(xù)反應），
HNO₃→NO，N得3電子，設被還原的HNO₃為y mol，總計得3y mol電子，
Cu→Cu²⁺，Cu失2電子，設參加反應的Cu為z mol，總計失2z mol電子，
Fe→Fe²⁺，Fe失2電子，參加反應的Fe為a（1-x） mol，總計失2a（1-x） mol電子，
根據得失電子總數相等，所以：3y=2z+2a（1-x） ①
反應中起酸作用的硝酸生成Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，起氧化劑作用的硝酸生成NO，由N元素守恒，所以有：y+2a（1-x）+2z=b ②
聯立方程，消去y，整理得b=$\frac{4[2x+2α（1-x）]}{3}$③
參加反應的Cu的物質的量z的取值大于0，最大為ax，帶入③中，可得$\frac{8α（1-x）}{3}$＜b≤$\frac{8α}{3}$，
故答案為：$\frac{8α（1-x）}{3}$＜b≤$\frac{8α}{3}$；
②當x=0.2，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0.2amol，Fe³⁺和Fe²⁺的物質的量各為0.4amol，
HNO₃→NO，N得3電子，產生6.72LNO氣體即0.3mol，總計得0.9 mol電子，
Cu→Cu²⁺，Cu失2電子，則失0.4a mol電子，
Fe→Fe²⁺，Fe失2電子，則失0.8amol電子，
Fe→Fe³⁺，Fe失3電子，則失1.2amol電子，
根據得失電子總數相等，所以：0.9=0.4a+0.8a+1.2a，解得a=0.375mol，
根據氮原子守恒可知：b=2n（Cu²⁺）+2n（Fe²⁺）+3n（Fe³⁺）+n（NO）=2×0.2×0.375+2×0.4×0.375+3×0.4×0.375+0.3=1.2mol；
答：a的值為0.375，b的值為1.2；

點評 本題考查混合物計算、氧化還原反應的有關計算，鐵、銅及硝酸的性質，因為鐵是變價金屬，和硝酸反應又涉及量不同產物不同，難度較大，根據始態(tài)終態(tài)法判斷金屬提供的電子等于氧氣獲得的電子是關鍵，注意氧化還原反應中守恒思想的運用．