Question

14．铁粉和铜粉的均匀混合物，平均分成四等份，分别加入同浓度的稀硝酸，充分反应，在标准状况下生成NO的体积和剩余金属的质量如下表（设硝酸的还原产物只有NO）：

编号	①	②	③	④
稀硝酸体积/mL	100	200	300	400
剩余金属/g	12.2	3.2	0	0
NO体积/mL	2240	4480	6720	V

则：
（1）硝酸的浓度为多大？
（2）每份金属的质量为多少？
（3）编号④中最多产生的气体积V为多少升？（该问答案取整数）

Answer 1

分析 由表中数据可知，实验①②都有金属剩余，则溶液中不可能含有硝酸铁，溶液中金属离子为+2价，在实验①的基础上加入100mL硝酸，参加反应的金属的质量为12.2g-3.2g=9g，
生成NO的体积为4480mL-2240mL=2240mL，NO物质的量为0.1mol，
根据电子转移守恒可知，参加反应金属的物质的量为$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，
参加反应金属的平均摩尔质量为$\frac{9.0g}{0.15mol}$=60g/mol，
故该过程既有Fe参加反应，又有铜参与反应，但反应后铁和铜均变为+2价．
根据NO的体积结合方程式计算硝酸的物质的量，
根据c=$\frac{n}{V}$计算硝酸的物质的量浓度；
在实验②的基础上加入100mL硝酸，参加反应的金属的质量为3.2g，生成NO的体积为6720mL-4480mL=2240mL，NO物质的量为0.1mol，
由于在①中铁已反应完，故该过程金属只有Cu参加反应，根据电子转移守恒，
则Cu的物质的量=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，Cu的质量=0.15mol×64g/mol=9.6g，大于参加反应金属的质量，故该过程除了Cu反应，还有生成的Fe²⁺反应．据此分析．

解答 解：（1）由表中数据可知，实验①②都有金属剩余，则溶液中不可能含有硝酸铁，溶液中金属离子为+2价，在实验①的基础上加入100mL硝酸，参加反应的金属的质量为12.2g-3.2g=9g，
生成NO的体积为4480mL-2240mL=2240mL，NO物质的量为0.1mol，
根据电子转移守恒可知，参加反应金属的物质的量为$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，
参加反应金属的平均摩尔质量为$\frac{9.0g}{0.15mol}$=60g/mol，
故该过程既有Fe参加反应，又有铜参与反应，但反应后铁和铜均变为+2价．
故在100mL硝酸溶液中，做酸的硝酸的物质的量为n=0.15mol×2=0.3mol，而做氧化剂被还原的硝酸的物质的量为0.1mol，故在100mL硝酸溶液中，含有的硝酸的物质的量为0.4mol，则物质的量浓度c=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.4mol}{0.1L}$=4mol/L．
答：硝酸的浓度为4mol/L；
（2）由于当加入200mL硝酸溶液时，参加反应的有铁和铜，故和前100mL硝酸反应的只有铁，且反应后变为+2价，而生成NO的体积为4480mL-2240mL=2240mL，NO物质的量为0.1mol，根据电子转移守恒可知，参加反应铁的物质的量为$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，质量m=0.15mol×56g/mol=8.4g，故每份金属的质量为8.4g+12.2g=20.6g，答：每份金属的质量为20.6g；
（3）设20.6g混合物中含铁的物质的量为xmol，含铜的物质的量为ymol，根据质量有：56x+64y=20.6①
然后根据在加入200mL硝酸即0.8mol硝酸时，剩余的3.2g为铜，放出了0.2molNO气体，此时溶液中铁和铜元素均为+2价，故根据硝酸的守恒可知：2x+2（y-$\frac{3.2g}{64g/mol}$）+0.2=0.4L×4mol/L②
解①②可得：x=0.225mol
y=0.125mol．
由于在硝酸为300mL时，溶液中的Fe²⁺即开始被氧化为Fe²⁺．当Fe²⁺完全被氧化为Fe³⁺时，做酸的硝酸的物质的量为n=0.225mol×3+0.125mol×2=0.925mol，而根据得失电子数守恒可知，生成的NO的物质的量n=$\frac{0.225mol×3+0.125mol×2}{3}$=0.308mol，故共需硝酸的物质的量n=0.925mol+0.308mol=1.233mol，小于400mL硝酸溶液中的硝酸的物质的量1.6mol，故当加入400mL硝酸时，Fe²⁺完全被氧化为Fe³⁺，生成NO的物质的量为0.308mol，则在标况下的体积为6906mL．
答：生成气体的最大体积为6906mL．

点评 本题考查混合物的有关计算，根据表中数据判断各阶段发生的反应是关键，侧重对学生综合能力的考查，过程复杂、计算量较大，为易错题目，难度较大．