Question

现有Fe、Cu组成的合金，其中Cu、Fe的总物质的量为a mol，Cu的物质的量分数为x；研成粉末后，全部投入含b mol HNO的稀溶液中，微热使其充分反应，且硝酸的还原产物只有NO，试回答下列问题：
（1）若剩余的残渣只有Cu，则溶液中含有的金属离子为__________。(写出所有可能情况)
（2）当溶液中金属离子只有Fe、Cu时，则b的取值范围是(用a、x表示)___________。
（3）当x＝0.5，溶液中Fe与Fe的物质的量相等时，在标准状况下共产生672 mL气体。则a＝____________、b＝_____________。

Answer 1

(1)  Fe^2＋或Fe^2＋、Cu^2＋ (2分)
(2)    （2分）
(3)  a＝0.04mol   b＝0.12mol （2分）

试题分析：(1) Cu、Fe的混合物与稀硝酸反应，金属可能有剩余，可能没有剩余．金属可能有剩余时，根据共存可知，剩余金属有两种情况：
①剩余Fe、Cu，当有Fe剩余时，溶液中能与Fe反应的Fe³⁺、Cu²⁺都不存在，所以溶液中只有Fe²⁺；
②只剩余Cu，溶液中一定不存在与Cu反应的Fe³⁺，根据离子共存，溶液可能只有Fe²⁺；
③通过②知，溶液中还可能存在的离子是Fe²⁺、Cu²⁺；
④当固体没有剩余时，可能存在的情况是：当Fe恰好与硝酸反应生成Fe²⁺，Cu恰好与硝酸生成Cu²⁺，所以溶液中存在的离子是Fe²⁺、Cu²⁺；
⑤通过④知，固体没有剩余时，生成的Fe³⁺部分反应，根据离子共存，溶液中存在的离子可能的Fe²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺；
⑥通过④、⑤知，固体没有剩余时，铁、铜全部被氧化成离子，根据离子共存，溶液中存在的离子可能是Cu²⁺、Fe³⁺；
有如下情况：

残留固体成分	Fe、Cu	Cu	Cu	--	--	__
溶液中的金属离子	Fe2+	Fe2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Fe3+、Cu2+	Cu2+、Fe3+

 
（2）当溶液金属离子只有Fe^2＋、Cu^2＋时，说明Cu恰好完全反应或者有剩余，而HNO₃和Fe则完全反应（否则的话，如果有硝酸剩余，则Fe^2＋则会被进一步氧化为Fe^3＋；如果有Fe剩余，则会和Cu^2＋继续反应）
3Cu+8HNO₃3Cu(NO₃)₂+2NO↑+4H₂O
ax  
3Fe   +    8HNO₃3Fe(NO₃)₂+2NO↑+ 4H₂O?
a(1－x) 
总耗用硝酸量：n(HNO₃)=+ =
所以：＜b≤
（3）当溶液中为Fe^3＋、Fe^2＋时，说明Cu、Fe完全反应（如果未完全反应，则Cu和Fe会和Fe^3＋反应），并且HNO₃也完全反应没有剩余（如果有硝酸剩余，则Fe^2＋则会被进一步氧化为Fe^3＋）溶液中Fe^3＋、Fe^2＋的物质的量相等，说明有一半Fe变为Fe^3＋，一半变为Fe²⁺
当x=0.5，nFe^3＋=nFe^2＋    V(NO)=0.672L
则nFe^3＋=nFe^2＋="0.25a" mol   nCu = 0.5amol
此时3Fe＋8HNO₃3Fe(NO₃)₂＋2NO↑＋4H₂O    ①
3Cu＋8HNO₃3 Cu (NO₃)₂＋2NO＋4H₂O    ②
3Fe(NO₃)₂＋4HNO₃3Fe(NO₃)₃＋NO＋2H₂O  ③
反应均发生了，且无反应物剩余。
3Fe ＋   8HNO₃3Fe(NO₃)₂＋2NO↑＋4H₂O  ①   
0.5a   0.5a×8/3      0.5a     0.5a×2/3
3Cu＋8HNO₃  3 Cu (NO₃)₂＋2NO↑＋4H₂O     ②    
0.5a   0.5a×8/3     0.5a          0.5a×2/3 
3Fe(NO₃)₂＋4HNO₃ 3Fe(NO₃)₃＋NO＋2H₂O ③
0.25a    0.25a ×4/3      0.25a
0.5a×2/3 +0.5a×2/3 + 0.25a×1/3 =0.672L/22.4L·mol^－1=0.03mol
解得：a="0.04" mol 
b=" 0.5a×8/3" + 0.5a×8/3+0.25a ×4/3="3a=3×0.04" mol ="0.12" mol