Question

17．现有铁和铜组成的合金共a mol，其中Cu的物质的量分数为x，研成粉末状后全部投入含bmol HNO₃的稀溶液中，使其充分反应，且HNO₃的还原产物只有NO．试回答下列问题：
（1）随HNO₃用量的增加，溶液中的金属离子和残留固体的成分依次有六种情况，请用粒子符号填写下列表1空白：

	①	②	③	④	⑤	⑥
溶液中的金属离子		Fe2+		Fe2+、Cu2+		Cu2+、Fe3+
残留固体成分	Fe、Cu		Cu

（2）若残留固体只有铜时，则溶液中可能存在的金属离子为（填粒子符号）Fe²⁺或Fe²⁺、Cu²⁺；
若合金全部溶解，则溶液中可能存在的金属离子为（填粒子符号）Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Cu²⁺；
（3）当溶液中金属离子只有Fe²⁺、Cu²⁺时，b的取值范围（用a，x表示）$\frac{8}{3}$a≥b＞$\frac{8}{3}$a（1-x）；
（4）当x=0.5，且溶液中Fe³⁺与Fe²⁺和物质的量相等，在标准状况下共产生672mLNO．
则a=0.04，b=0.12．

Answer 1

分析 （1）由于还原性Fe＞Cu，开始加入硝酸，Fe首先与硝酸反应转化为Fe（NO₃）₂，Fe完反应时，溶液中溶质为Fe（NO₃）₂，继续加入硝酸，Cu参加反应，溶液中溶质为Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，Cu完全溶解后，再加入硝酸会将Fe²⁺离子氧化为Fe²⁺；
（2）结合（1）中分析进行解答；
（3）当溶液中的金属离子只有Fe²⁺、Cu²⁺时，则Fe完全反应转化为Fe²⁺，而Cu恰好完全反应或者有剩余，结合方程式计算式；
（4）当x=0.5，溶液中Fe³⁺和Fe²⁺的物质的量相等时，Cu全部转化为铜离子，根据得失电子守恒和氮原子守恒计算．

解答 解：（1）由于还原性Fe＞Cu，开始加入硝酸，部分Fe首先与硝酸反应转化为Fe（NO₃）₂，残留固体为Fe、Cu；
继续加入硝酸，Fe完全溶解时，残留固体为Cu，溶液中溶质为Fe（NO₃）₂；
继续加入硝酸，部分Cu参加反应，溶液中溶质为Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，残留固体为Cu；
继续加入硝酸，Cu完全溶解时，溶液中溶质为Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，没有残留固体；
再加入硝酸，将部分Fe²⁺离子氧化为Fe²⁺；
继续加入硝酸，Fe²⁺全部氧化为Fe²⁺，
故随HNO₃用量的增加，溶液中的金属离子和残留固体的成分依次有六种情况为：

	①	②	③	④	⑤	⑥
溶液中的金属离子	Fe2+	Fe2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Fe3+、Cu2+	Cu2+、Fe3+
残留固体成分	Fe、Cu	Cu	Cu	无	无	无

，
故答案为：

	①	②	③	④	⑤	⑥
溶液中的金属离子	Fe2+	Fe2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Fe3+、Cu2+	Cu2+、Fe3+
残留固体成分	Fe、Cu	Cu	Cu	无	无	无

；
（2）由（1）中分析可知，若残留固体只有铜时，则可能存在的金属离子为Fe²⁺或Fe²⁺、Cu²⁺，若合金全部溶解，则可能的离子为Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Cu²⁺，
故答案为：Fe²⁺或Fe²⁺、Cu²⁺；Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Fe²⁺、Cu²⁺或Fe³⁺、Cu²⁺；
（3）当溶液中的金属离子只有Fe²⁺、Cu²⁺时，则Fe完全反应转化为Fe²⁺，而Cu恰好完全反应或者有剩余，
Cu的物质的量为ax mol，Fe的物质的量为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
与Fe反应后剩余的硝酸为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
则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）
故答案为：$\frac{8}{3}$a≥b＞$\frac{8}{3}$a（1-x）；
（4）当x=0.5，溶液中Fe³⁺和Fe²⁺的物质的量相等时，Cu全部为铜离子，所以参加反应的Cu为0.5amol，Fe³⁺和Fe²⁺的物质的量各为0.25amol，
HNO₃→NO，N得3电子，产生672mlNO气体即0.03mol，总计得0.09 mol电子，
Cu→Cu²⁺，Cu失2电子，则失a mol电子，
Fe→Fe²⁺，Fe失2电子，则失0.5amol电子，
Fe→Fe³⁺，Fe失3电子，则失0.75amol电子，
根据得失电子总数相等，所以：0.09=a+0.5a+0.75a，解得a=0.04，
根据氮原子守恒可知：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；
故答案为：a=0.04；b=0.12．

点评 本题考查混合物有关计算、硝酸的性质等，注意发生反应的先后顺序以及电子守恒、原子守恒的应用，题目难度较大．