金屬和硝酸的計算解題規(guī)律

何靜琳

金屬與硝酸的反應(yīng)是一類典型的氧化還原反應(yīng),其有關(guān)計算涉及知識面廣,對初學(xué)這部分內(nèi)容的同學(xué)來說難度較大。以下是我對這一部分教學(xué)的理解和在實際教學(xué)中的應(yīng)用。

一、反應(yīng)的本質(zhì)

金屬與硝酸反應(yīng)的實質(zhì)是金屬與氫離子和硝酸根離子共同作用。

例1.銅粉放入稀硫酸溶液后,加熱后無明顯現(xiàn)象發(fā)生,當(dāng)加入下列一種物質(zhì)后,銅粉質(zhì)量減少,溶液呈藍(lán)色,同時有氣體產(chǎn)生,該物質(zhì)可能是()

A.硫酸鐵

B.碳酸鈉

C.硝酸鉀

D.硫酸亞鐵

解析:銅不能與稀硫酸反應(yīng),但稀硫酸提供H+, 鹽提供NO3-,構(gòu)成強(qiáng)氧化條件,能溶解銅并產(chǎn)生氣體。答案選C。

例2.鐵銅混合物加入不足量的硝酸,反應(yīng)后,剩余金屬m1克,再向其中加入一定量稀硫酸。充分振蕩后,剩余金屬m2克,則m1與m2的關(guān)系是()

A.m1一定大于m2 B.m1一定等于m2

C.m1可能等于m2 D.m1可能大于m2

解析:鐵銅混合物與不足量的硝酸反應(yīng)后生成硝酸鹽,即溶液中的鹽含有硝酸根離子,再加稀硫酸提供氫離子,發(fā)生氧化還原反應(yīng),會再溶解一部分金屬。答案選A。

二、氮元素的守恒思想

硝酸和不活潑金屬反應(yīng)一般生成硝酸鹽和氮氧化物,在此硝酸擔(dān)當(dāng)了兩個角色,一是酸二是氧化劑。如果分別知道了二者的物質(zhì)的量,也就知道了總消耗的硝酸的物質(zhì)的量。如:銅和硝酸反應(yīng)中,當(dāng)3摩爾銅和8摩爾硝酸反應(yīng)時,作為酸的硝酸的物質(zhì)的量=6摩爾,即金屬的物質(zhì)的量與金屬的化合價的乘積(3mol×2),作為氧化劑的硝酸的物質(zhì)的量=2摩爾,即NO的物質(zhì)的量。2mol+6mol=8mol,就是硝酸的總物質(zhì)的量。特別提出的是:當(dāng)銅和濃硝酸反應(yīng)氣體產(chǎn)物是NO2時,同樣存在作為氧化劑的硝酸的物質(zhì)的量等于氣體的物質(zhì)的量的定量關(guān)系。也就是說,當(dāng)硝酸由濃變稀得到NO和NO2的混合氣體產(chǎn)物時,也同樣存在上述1:1的定量關(guān)系。在這里體現(xiàn)了氮元素守恒的思想。

例3.將25.6毫克銅與1.4×10-3摩爾的濃硝酸恰好完全反應(yīng),反應(yīng)后收集到的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為 毫升。(假設(shè)反應(yīng)中只產(chǎn)生NO或NO2)

解析:因為1mol銅參加反應(yīng)生成硝酸銅對應(yīng)2mol硝酸顯酸性,所以25.6毫克Cu完全反應(yīng),必然有0.8×10-3mol的硝酸顯酸性,其余的硝酸中的氮全轉(zhuǎn)移到NO或NO2中,即有1mol硝酸作氧化劑就有1mol氮的氧化物(NO或NO2)。答案13.44mL。

例4.將1.92克銅粉與一定量濃硝酸恰好完全反應(yīng),反應(yīng)后收集到的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為1120毫升。(假設(shè)反應(yīng)中只產(chǎn)生NO或NO2)則消耗硝酸的物質(zhì)的量為 mol。

A.0.12 B.0.11 C.0.09 D.0.08

解析:因為0.03mol銅參加反應(yīng)生成硝酸銅對應(yīng)0.06mol硝酸顯酸性,0.05mol氮的氧化物(NO或NO2)對應(yīng)0.05mol硝酸作氧化劑,所以共消耗硝酸0.11mol。答案選B。

三、從得失電子守恒的角度看

一般情況下金屬失去的電子被+5價的氮得到,轉(zhuǎn)化為NO或NO2,根據(jù)得失電子解題。

例5.在銅與稀硝酸反應(yīng)中,如果有1摩爾硝酸被還原,則被氧化的銅的物質(zhì)的量為

mol。

A.3/8 B.8/3 C.3/2 D.2/3

解析:設(shè)被氧化的銅的物質(zhì)的量為xmol,則根據(jù)得失電子守恒有:

1×(5-2)=2x答案選C

四、從反應(yīng)始態(tài)和最終狀態(tài)看

終態(tài)法的運(yùn)用使許多復(fù)雜問題簡單化,在化學(xué)計算中具有非常重要的地位。

例6.銅鎂合金4.6克完全溶于濃硝酸中,若反應(yīng)中硝酸被還原,只產(chǎn)生4480毫升NO2氣體和336毫升N2O4氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)。反應(yīng)后的溶液中加足量氫氧化鈉溶液,生成沉淀的質(zhì)量為 克。

解析:反應(yīng)中銅鎂合金失去電子,最終轉(zhuǎn)化為氫氧化銅和氫氧化鎂沉淀,比較始態(tài)和終態(tài),固體增加的質(zhì)量為氫氧根離子的質(zhì)量,而氫氧根離子的物質(zhì)的量等于轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量,再根據(jù)氣體計算轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量=4480mL/22400mL·mol-1+(336mL/

22400mL·mol-)×2=0.23mol。

所以沉淀的質(zhì)量為:4.6+0.23×17=8.51g

例7.1.92克銅投入到一定量的濃硝酸中,銅完全溶解,生成的氣體的顏色越來越淺,共收集到672毫升的氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)。將盛有此氣體的容器倒扣在水槽中,通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下一定體積的氧氣,恰好使氣體完全溶于水,則通入的氧氣的體積為 毫升。

A.168 B.224 C.336 D.504

解析:從反應(yīng)的始態(tài)和最終狀態(tài)看,銅在反應(yīng)中失去電子,氧氣在反應(yīng)中得電子,設(shè)通入的氧氣的體積為xmL,則:

(1.92/64)×2=(x/22400)×4

解得:x=336,答案選C。

作者單位:四川省洪雅中學(xué)