Question

20．硝酸是重要的氧化剂，铁、铜是生活中常见的金属．
（1）Fe与Cu混合物与65%的硝酸反应会产生大量NO₂，该反应使用的硝酸的物质的量浓度为14.44mol/L（已知ρ=1.4g/cm³）．
（2）各为0.1mol的Cu与Fe混合物与足量的某浓度的硝酸反应产生4.48L气体（标准状况下），则该反应消耗的硝酸为0.7mol．
（3）4.4gFe与Cu混合物与过量的硝酸反应，放出的气体与标准状况下的1.12L的氧气混合后通入水中恰好被完全吸收，则其中铜的质量为1.6g．
（4）Fe与Cu混合物共有a mol，其中铜的物质的量分数为X，将该混合物全部投入b mol的硝酸中使其充分反应，假定硝酸的还原产物仅有NO，
①若溶液中金属离子只有Fe²⁺、Cu²⁺时，则b的取值范围是$\frac{8α（1-x）}{3}$＜b≤$\frac{8α}{3}$（用a、x表示）．
②若x=0.2时，溶液Fe²⁺与Fe³⁺的物质的量相等时，在标准状况下产生NO 6.72L，求a、b的值．（写出简要的计算过程）

Answer 1

分析 （1）依据溶液中溶质物质的量浓度和溶质质量分数的换算关系计算得到，c=$\frac{1000ml/L×ρg/c{m}^{3}×w%}{Mg/mol}$；
（2）铜和铁与足量硝酸反应发生氧化还原反应，硝酸被还原为氮氧化物，金属被氧化为硝酸盐，依据氮元素守恒计算元硝酸溶液的浓度；
（3）铜、铁与过量的硝酸反应生成硝酸铜、硝酸铁与氮的氧化物，氮的氧化物与氧气、水反应生成硝酸，纵观整个过程，金属提供的电子等于氧气获得的电子，根据二者质量与电子转移列方程计算．根据m=nM计算铜的质量；
（4）①当溶液中的金属离子只有Fe²⁺、Cu²⁺时，说明Cu恰好完全反应或者有剩余，而HNO₃和Fe则完全反应（如果有硝酸剩余，则Fe²⁺则会被进一步氧化为Fe³⁺；如果有Fe剩余，则会和Cu²⁺继续反应），
HNO₃→NO，N得3电子，设被还原的HNO₃为y mol，总计得3y mol电子，
Cu→Cu²⁺，Cu失2电子，设参加反应的Cu为z mol，总计失2z mol电子，
Fe→Fe²⁺，Fe失2电子，参加反应的Fe为a（1-x） mol，总计失2a（1-x） mol电子，
根据得失电子总数相等，所以：3y=2z+2a（1-x） ①
反应中起酸作用的硝酸生成Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，起氧化剂作用的硝酸生成NO，由N元素守恒，所以有：y+2a（1-x）+2z=b ②
联立方程，消去y，可得b的表达式（用a、x、z表示），参加反应的Cu的物质的量z的取值大于0，最大为ax，带入b的表达式计算．
②当x=0.2，溶液中Fe³⁺和Fe²⁺的物质的量相等时，Cu全部为铜离子，根据得失电子守恒和氮原子守恒计算．

解答 解：（1）Fe与Cu混合物与65%的硝酸反应会产生大量NO₂，该反应使用的硝酸的物质的量浓度=$\frac{1000ml/L×1.4g/c{m}^{3}×65%}{63g/mol}$=14.44mol/L，
故答案为：14.44；
（2）各为0.1mol的Cu与Fe混合物与足量的某浓度的硝酸反应产生4.48L气体（标准状况下），物质的量n=$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，铜和铁与足量硝酸反应发生氧化还原反应，硝酸被还原为氮氧化物，金属被氧化为硝酸盐，Cu（NO₃）₂，Fe（NO₃）₃，氮元素守恒计算，则该反应消耗的硝酸物质的量=0.1mol×2+0.1mol×3+0.2mol=0.7mol，
故答案为：0.7；
（3）铜、铁与过量硝酸反应生成硝酸铜、硝酸银铁与氮的氧化物，氮的氧化物与氧气、水反应生成硝酸，纵观整个过程，金属提供的电子等于氧气获得的电子，
n（O₂）=$\frac{1.12L}{22.4L/mol}$=0.05mol，
设Cu、Fe的物质的量分别为x、y，则：
根据质量列方程：x×64g/mol+y×56g/mol=4.4g
根据电子守恒列方程：2x+3×y=0.05mol×4
解得：x=0.025mol；y=0.05mol
m（Cu）=0.025mol×64g/mol=1.6g，
故答案为：1.6；
（4）①当溶液中的金属离子只有Fe²⁺、Cu²⁺时，说明Cu恰好完全反应或者有剩余，而HNO₃和Fe则完全反应（如果有硝酸剩余，则Fe²⁺则会被进一步氧化为Fe³⁺；如果有Fe剩余，则会和Cu²⁺继续反应），
HNO₃→NO，N得3电子，设被还原的HNO₃为y mol，总计得3y mol电子，
Cu→Cu²⁺，Cu失2电子，设参加反应的Cu为z mol，总计失2z mol电子，
Fe→Fe²⁺，Fe失2电子，参加反应的Fe为a（1-x） mol，总计失2a（1-x） mol电子，
根据得失电子总数相等，所以：3y=2z+2a（1-x） ①
反应中起酸作用的硝酸生成Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，起氧化剂作用的硝酸生成NO，由N元素守恒，所以有：y+2a（1-x）+2z=b ②
联立方程，消去y，整理得b=$\frac{4[2x+2α（1-x）]}{3}$③
参加反应的Cu的物质的量z的取值大于0，最大为ax，带入③中，可得$\frac{8α（1-x）}{3}$＜b≤$\frac{8α}{3}$，
故答案为：$\frac{8α（1-x）}{3}$＜b≤$\frac{8α}{3}$；
②当x=0.2，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0.2amol，Fe³⁺和Fe²⁺的物质的量各为0.4amol，
HNO₃→NO，N得3电子，产生6.72LNO气体即0.3mol，总计得0.9 mol电子，
Cu→Cu²⁺，Cu失2电子，则失0.4a mol电子，
Fe→Fe²⁺，Fe失2电子，则失0.8amol电子，
Fe→Fe³⁺，Fe失3电子，则失1.2amol电子，
根据得失电子总数相等，所以：0.9=0.4a+0.8a+1.2a，解得a=0.375mol，
根据氮原子守恒可知：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的值为0.375，b的值为1.2；

点评 本题考查混合物计算、氧化还原反应的有关计算，铁、铜及硝酸的性质，因为铁是变价金属，和硝酸反应又涉及量不同产物不同，难度较大，根据始态终态法判断金属提供的电子等于氧气获得的电子是关键，注意氧化还原反应中守恒思想的运用．