关于硝酸与金属反应的计算

安康化学教研网整理页关于硝酸与金属反应的计算金礼辉(江苏省东台市教育局教研室224200)硝酸与金属的反应是中学化学中重要的知识点，由此编制的有关计算题变化多端，其命题的思路广、隐蔽性强，解题的灵活性高，对于培养和发展学生的创造性思维能力有很大作用，倍受高考命题专家的重视，是一类值得研究的题型。探究该类题的命题规律，确立解题的基本策略，掌握常见的解题技巧是教学中提高学生思维能力的关键之一。一、抓住离子反应紧扣实质求解[例１]有一硫酸和硝酸的混合溶液，取出其中的10mL加入足量的氯化钡溶液，过滤、洗涤、烘干后得到9.32g沉淀，滤液跟4mol/L烧碱溶液反应，用去35mL时恰好中和。求⑴混合溶液中硫酸和硝酸的物质的量浓度；⑵另取10mL原混合溶液，加入2.56g铜共热，在标准状况下收集到多少毫升的气体。[解析]⑴n(H2SO4)＝n(BaSO4)＝mol/g233g32.9＝0.040moln(H＋)＝n(NaOH)＝4mol/L×35×10－3L＝0.14mol[H2SO4]＝L1010mol040.03－＝4.0mol/L[HNO3]＝L10102mol0.040mol14.03－－＝6.0mol/L⑵n(Cu)＝g/mol64g56.2＝0.040moln(H＋)＝0.14mol，n(NO3－)＝0.060mol由3Cu＋8H＋＋2NO3－＝3Cu＋＋2NO↑＋4H2O可知H＋、NO3－过安康化学教研网整理页量，故反应后产生NO的体积为V(NO)＝0.040mol×32×22.4L/mol×1000mL/L＝597mL[评注]该题第⑵问如果采用反应方程式3Cu＋8HNO3＝3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O(0.0225mol0.060mol)来确定关系计算，就会判断出Cu过量，从而得出错误的计算结果。实质上Cu(NO3)2中的NO3－与H2SO4中的H＋组合在一起仍有一部分能与Cu反应，所以，解答此类题的第一策略就是要注意抓住离子反应关系，紧扣反应实质进行求解。二、巧用守恒规律寻找解题突破口[例２]为了测定某铜银合金的组成，将17.2g合金溶于50mL11.0mol/L的浓硝酸中，待合金完全溶解后，收集到气体4.48L(标准状况)，并测得溶液的PH＝0。假设反应后溶液的体积仍为50mL。试计算⑴被还原的硝酸的物质的量；⑵合金中银的质量分数。[解析]⑴收集到的气体为NO2和NO，故n(HNO3)被还原＝n(气体)＝L/mol22.4L48.4＝0.20mol⑵n(HNO3)反应＝11.0mol/L×0.050L－1mol/L×0.050＝0.50mol设合金中铜、银物质的量分别为x、y，则64g/mol·x＋108g/mol·y＝17.2g…………①又，产物Cu(NO3)2、AgNO3中含NO3－物质的量各为2x、y，据N守恒可得安康化学教研网整理＋y＋0.20mol＝0.50mol……………………②解①②得y＝0.10mol，故W(Ag)＝g2.17g/mol108mol10.0×100%＝62.8%[评注]由于硝酸由浓变稀，其还原产物由NO2变为NO，所以该题涉及的反应有4个，即使按离子反应方程式来找关系式求解也很困难，上述解答中巧妙运用N的守恒来建立等式②，大大简化了解题过程。〖跟踪训练〗(MCE1994～24)38.4mg铜跟适量的浓硝酸反应，铜全部作用后，共收集到气体22.4mL(标准状况)，反应消耗的HNO3的物质的量可能为(不考虑有N2O4生成)。A.1.0×10－3molB.1.6×10－3molC.2.2×10－3molD.2.4×10－3mol[例３]6.4g铜与过量的硝酸(60mL8mol/L)充分反应后，硝酸的还原产物有NO2、NO，反应后溶液中所含H＋为nmol，此时溶液中所含NO3－物质的量为A.0.28molB.0.31molC.(n＋0.2)molD.(n＋0.4)mol[解析]因反应后溶液中仅含有Cu2＋、NO3－和H＋(极少OH－忽略)，所以据离子的电荷守恒可得n(NO3－)＝2n(Cu2＋)＋n(H＋)＝g/mol64g4.6×2＋nmol＝(n＋0.2)mol，正确答案为(C)。[评注]虽然该题先求出参加反应的HNO3物质的量，再利用两个离子反应式建立关系也能得出结果，但是过程较繁。上述解答抓住反应后溶液中阴阳离子的电荷守恒作为解题的突破口，安康化学教研网整理页另辟蹊径，具有独到之处。需要提醒同学们注意的是，还有一种利用反应方程式两边离子电荷守恒的方法。〖跟踪训练〗76.8mg铜和适量浓硝酸反应，铜全部溶解后，如果NO3－离子减少2×10－3mol，则溶液中H＋同时下降A.2.2×10－3molB.3.2×10－3molC.4.4×10－3molD.4×10－3mol(提示：据Cu＋H＋＋NO3－→Cu2＋＋NO2＋NO＋H2O由反应式两边电荷守恒可得答案为C)三、抓住终态分析，模糊中间过程[例４]一定量的铝铁合金与300mL2mol/L硝酸反应生成3.36LNO(标准状况)和三价铁盐、铝盐等，再向反应后的溶液中加入3mol/LNaOH溶液，使铝铁元素全部转化为沉淀，则所加NaOH溶液的体积是A.150mLB.200mLC.450mLD.无法计算[解析]当铝铁元素全部转化为沉淀时，溶液中仅含NaNO3，故n(NaOH)＝n(HNO3)总－n(NO)即V(NaOH)＝mol/L3L/mol22.4L3.36mol/L2L30.0－＝0.15L＝150mL，故选（A）。[评注]同样道理，该题与前述数题有共同的特点，涉及反应多，用常规思路解很困难，而上述解答仅抓住最终状态分析，对中间反应过程模糊处理，取得了出奇制胜的效果。需要注意的是，在实际教学中发现不少同学用这种解题思路解答时，还安康化学教研网整理页是错选了（C），究其原因是受到前述一些题目的影响，造成思维定势，没有注意到该题中溶液里的N并不守恒，有一部分已转化为气体NO，必须减去才对，因此，利用该题作欲擒故纵式的教学，对克服学生的不良思维定势，提高其解题的灵活性有较大作用。〖跟踪训练〗14g铁粉全部溶于某稀硝酸中，恰好反应，放出NO气体后得到溶液1L。称量所得溶液，发现比原硝酸溶液增重8g。则原溶液中硝酸的浓度为A.0.4mol/LB.0.6mol/LC.0.8mol/LD.1.0mol/L[解析]n(NO)＝g/mol30g8g14－＝0.2mol无论生成＋2价还是＋3价铁，Fe(NO3)2和Fe(NO3)3中所含NO3－个数恰好与对应Fe失电子数相等，而Fe失电子数＝HNO3失电子数＝NO分子数×3。故C(HNO3)＝L13mol0.2mol2.0＋＝0.8mol/L答案为(C)。[评注]上述解答是先利用质量差确定NO的物质的量，再抓住最终产物Fe(NO3)3、Fe(NO3)2中NO3－个数与Fe失电子数间的特殊巧合关系，利用电子得失守恒和N守恒，迅速得出参加反应的HNO3的总物质的量浓度，是一种极具创造性的思维。由此还可得出一条极有价值的简便规律：金属与硝酸反应时，只要还原产物的量确定，则参加反应的HNO3总量也可由此确定，与金属反应后的价态无关（进一步还可引导学生用反应通式证明这一规律，此处略）。在遇到象Fe与HNO3反应这类问题时，无需去考虑Fe在反应后生成何种价态产物，更无需考虑＋2价安康化学教研网整理与＋3价Fe各是多少。四、善于分解条件优化解题思路[例５]一定量铜在某浓硝酸溶液中完全溶解。已知参加反应的30gHNO3中被还原的HNO3质量为13g，则生成的NO和NO2的体积比为(同温同压下测定)A.1:1B.1:2C.2:11D.4:1[解析]设生成NO、NO2物质的量分别为x、y则x＋y＝g/mol63g13……………………………①又n(HNO3)总＝n(HNO3)被还原＋n(HNO3)未被还原n(HNO3)未被还原＝g/mol63g13g30－＝6317molHNO3未被还原～21Cu(NO3)2～21Cu故根据化合价升降守恒可得3x＋y＝6317×21×2mol………………………②解①②得x＝2/63，y＝11/63，x:y＝2:11。答案选(C)。[评注]该题的解答将HNO3分解为两部分考虑，由未被还原的HNO3与Cu之间的关系确定Cu的物质的量，最后再据化合价升降总数的守恒列出关系式②，将已知条件层层分解，从而优化了解题思路。[例６]mg铜与一定浓度的硝酸完全反应放出V1L气体，将所得气体通过足量水后，收集到V2L气体，欲使V2L气体完全转化为硝酸，所需氧气的物质的量为(气体体积均在标准状况下测定，且不考虑有N2O4生成)。安康化学教研网整理无法计算[解析]?HNO3?（NO2＋NO）4NO4HNO3(mg)(V1L)(V2L)由4NO～3O2可知V2L气体NO转化为HNO3需氧气的量n(O2)＝mol6.89V343L/mol4.22LV22又据4HNO3(浓)2NO22×31NO2×31HNO38HNO3(稀)2NO2NO2HNO3可得2Cu～O2。即需O2的量也可由Cu求出n(O2)＝mol128m21g/mol64gm该题正确答案为(B、C)[评注]由于V1L气体的成分不能确定，似乎不能由Cu的量来求耗氧量，但将其分解为两个反应流程，可发现Cu与HNO3反应时，不论是生成NO2还是NO，最后Cu与O2间的关系都是一样的。本题若利用N守恒，借助于HNO3的转变关系作为桥梁，再结合运用电子得失守恒规律，可更简便地确定Cu和O2间的关系，从而获得完整答案。所以教学中应引导学生从多角度进行思考，用一题多解等来提高学生思维的广阔性，同时注意启发学生思考有些解题方法的局限性，防止产生不良思维定势（以下一道跟踪训练题可以达到此目的）。〖跟踪训练〗14g铜银合金与足量的某浓度的硝酸反应，Cu(H2O)2×31×43O23Cu(H2O)2×43O2?Cu(H2O)3O2安康化学教研网整理标准状况下的氧气混合，通入水中恰好全部吸收，则合金中铜的质量是A.9.6gB.6.4gC.3.2gD.1.6g五、进行分析讨论圆满求解试题[例７]锌与硝酸反应，若有1mol硝酸参加反应，就有0.8mol电子发生转移，此时硝酸的还原产物中氮元素的化合价为______。[解析]据题意可知，有8mol电子转移时，则有10molHNO3参加反应，可氧化锌4mol，生成Zn(NO3)2中含NO3－为8mol，还余2molNO3－。①若余下2molNO3－全部被还原，则N的化合价应降到(＋5－8/2)＝＋1价。即生成N2O；②若余下2molNO3－中，只有1molNO3－被还原，则N的化合价应降到＋5－8＝－3价，即生成NH4NO3，也是可能的。所以，该题正确答案应为＋1、－3。[评注]该题通过对NO3－被还原的情况全面进行假设性分析，确定NO3－被还原的产物可能有两种，圆满地解答了该题，培养了学生思维的严密性和整体性。〖跟踪训练〗(MCE1997～24)某金属单质跟一定浓度的硝酸反应，假定只产生单一的还原产物。当参加反应的单质与被还原硝酸的物质的量之比为2:1时，还原产物是A.NO2B.NOC.N2OD.N2(提示：该题可通过对金属不同化合价的假设来试探求解)。[例８]3.25g某金属单质跟过量稀硝酸反应时，未观察安康化学教研网整理页到有气