有關(guān)鐵的變價(jià)計(jì)算

穆玉鵬

鐵是重要的變價(jià)金屬， 無論是單質(zhì)， 還是化合物， 在一定條件下參加化學(xué)反應(yīng)時(shí)都可能發(fā)生變價(jià)， 因此鐵的變價(jià)計(jì)算是重點(diǎn)內(nèi)容.

一、鐵單質(zhì)參加反應(yīng)產(chǎn)生兩種價(jià)態(tài)化合物

例1在含a g HNO3的溶液里放入b g鐵， 鐵完全溶解， 假設(shè)有a4g HNO3被還原， 且放出的氣體是NO.試回答： 反應(yīng)溶液中的溶質(zhì)是什么？并求與溶質(zhì)對(duì)應(yīng)的ab的值？

解析稀硝酸是強(qiáng)氧化劑， 鐵單質(zhì)被氧化Fe（NO3）3， 硝酸被還原成一氧化氮.當(dāng)HNO3與Fe的量取不同值時(shí)， 反應(yīng)后溶液中的溶質(zhì)會(huì)有所不同：如果硝酸過量， 鐵單質(zhì)只被氧化成Fe（NO3）3.如果Fe過量， 由Fe（NO3）3有較強(qiáng)的氧化性， 可以氧化Fe單質(zhì)產(chǎn)生Fe（NO3）2.如果Fe過量的不多， 此時(shí)反應(yīng)后溶液中的溶質(zhì)應(yīng)為Fe（NO3）2和

Fe（NO3）3， 涉及到化學(xué)反應(yīng)方程式為：

Fe+4HNO3（稀）Fe（NO3）3+NO↑+2H2O

2Fe（NO3）3+Fe3Fe（NO3）

解題方法選用極值討論法

①假設(shè)反應(yīng)后溶液中溶質(zhì)皆為Fe（NO3）3， 滿足條件：Fe與HNO3均適量

Fe+4HNO3（稀）

Fe（NO3）3+NO↑+2H2O

56 g4×63 g

b g a g

∵b56=a4×63∴ab=4×6356=92

當(dāng)ab=92反應(yīng)后溶液中的溶質(zhì)應(yīng)為Fe（NO3）3

②假設(shè)反應(yīng)后的溶液中的溶質(zhì)皆為Fe（NO3）2，滿足條件Fe與HNO3均適量應(yīng)用總方程式討論：

2Fe+8HNO3（?。?Fe（NO3）3+2NO↑+4H2O

2Fe（NO3）3+Fe3Fe（NO3）2

總化學(xué)方程式

3Fe+8HNO3（稀）

3Fe（NO3）2+2NO↑+4H2O

3×56 g8×63 g

bga g

∵b3×56=a8×63，

∴ab=8×633×56=31

當(dāng)ab=31反應(yīng)后溶液中的溶質(zhì)為Fe（NO3）2

③假設(shè)Fe過量的不多， 2Fe（NO3）3+Fe3Fe（NO3）2反應(yīng)中Fe（NO3）3不能全部變?yōu)镕e（NO3）2， 此時(shí)反應(yīng)后溶液中為Fe（NO3）2和Fe（NO3）3.

從①②中不難得出當(dāng)31

說明Fe+4HNO3（稀）Fe（NO3）3+NO↑+2H2O（n為物質(zhì)的量）

3Fe+8HNO33Fe（NO3）2 +2NO↑+4H2O

上述兩個(gè)反應(yīng)中， n（被還原HNO3）n（總HNO3）=14

∴皆為a4g HNO3被還原.

例2現(xiàn)有10.42克純凈鐵粉， 溶于過量的稀硫酸中， 在所得的溶液中加入5.05克硝酸鉀后共熱， 充分反應(yīng)后部分Fe2+離子氧化.溶液中剩余Fe2+離子恰好被24毫升， 0.3摩/升的酸性高錳酸鉀溶液所氧化（ 被還原為Mn2+）試通過計(jì)算確定反應(yīng)中硝酸鉀被還原后的產(chǎn)物.

解析用圖解法分析題意

此題根據(jù)分步反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)方程式計(jì)算顯然麻煩，特別是書寫本題涉及氧化還原反應(yīng)離子方程式也有較大難度，因此是不可取的解題方法.

此題應(yīng)根據(jù)關(guān)系式及電子得失守恒法解題.

設(shè)Fe粉溶于過量的稀H2SO4后Fe2+的物質(zhì)的量為x.

Fe～Fe2+

56 g 1 mol

10.42 g x

x=10.42 g×1 mol56 g=0.186 mol

Fe2+～Fe3+～e-

0.186 mol 0.186 mol

MnO-4～Mn2+～5e-

1 mol 5 mol

0.024 L×0.3 mol/L5×0.024 L×0.3 mol/L

設(shè)硝酸鉀被還原產(chǎn)生的氮元素化合價(jià)為y.

KN+5O3～Ny ～（5-y）e-

101 g （5-y）mol

5.05 g5.05×（5-y）101mol

依據(jù)電子得失數(shù)守恒

0.186=5.05×（5-y）101+0.024×0.3×5y=+2

∴還原產(chǎn)物為NO.

二、鐵的化合物參加化學(xué)反應(yīng)變價(jià)

例3在2 L Fe2（SO4）3和CuSO4的混合溶液中，加入30 g純鐵粉，充分反應(yīng)后得到2 L 0.25 mol/L的FeSO4溶液以及26 g固體沉淀物，求原混和溶液中Fe2（SO4）3和CuSO4的物質(zhì)的量濃度.

解析此題是有關(guān)混合物計(jì)算，也是判斷反應(yīng)物是否過量的計(jì)算.解題關(guān)鍵要求分析清楚反應(yīng)物鐵粉是否過量，26g固體沉淀物是混合物還是純凈物.

混合物的計(jì)算一般可采用代數(shù)法列方程求解.

通過極值法討論30g鐵粉是否過量.

依據(jù)題意n（Fe2+）=2×0.25=0.5 mol

①假設(shè)FeSO4皆由Fe2（SO4）3+Fe3FeSO4反應(yīng)而得，求m（Fe）=？

設(shè)需Fe質(zhì)量為x g

Fe2（SO4）3+Fe3FeSO4

56 g 3 mol

x 0.5 mol

②假設(shè)FeSO4皆由CuSO4+FeFeSO4 +Cu反應(yīng)而得，m（Fe） =？

設(shè)需Fe質(zhì)量為y g

CuSO4 +FeFeSO4 +Cu

56 g1 mol

y0.5 mol

通過①、②討論30 g鐵粉分別與CuSO4和Fe2（SO4）3反應(yīng)需鐵粉質(zhì)量<30 g

∴鐵粉過量，即：26g固體應(yīng)為剩余Fe與生成Cu的質(zhì)量之和

依據(jù)題意，設(shè)原混合溶液中含F(xiàn)e2（SO4）3物質(zhì)的量為x，含CuSO4的物質(zhì)的量為y

Fe2（SO4）3+Fe3FeSO4

xx3x

CuSO4+FeFeSO4+Cu

yyyy

列方程式

3x+y=2×0.2530-56（x+y）+64y=26

x=0.1（mol）y=0.2（mol）

∴c（Fe2（SO4）3）=0.1 mol2 L=0.05 mol/L

c（CuSO4）=0.2 mol2 L=0.1 mol/L

例4將鐵和三氧化二鐵的混合物2.72 g，加入50 mL 1.6 mol/L的鹽酸中恰好完全反應(yīng)，滴入KSCN溶液后不顯紅色.若忽略化學(xué)反應(yīng)中溶液體積變化，則在所得溶液中Fe2+離子的物質(zhì)的量濃度為多少？

解析審題是關(guān)鍵.依據(jù)題意完全反應(yīng)后溶液中滴入KSCN溶液不顯紅色說明溶液中無Fe3+，因此涉及到反應(yīng)為

Fe+2HClFeCl2+H2↑

Fe2O3+6HCl2FeCl3+3H2O

2FeCl3+Fe3FeCl2

本題屬混合物的計(jì)算，可用代數(shù)法列方程求解

解Ⅰ.設(shè)混合物中Fe物質(zhì)的量為x，F(xiàn)e2O3物質(zhì)的量為y.

Fe2O3+6HCl2FeCl3+3H2O

y6y2y

2FeCl3+Fe3FeCl2

2y y 3y

Fe+2HClFeCl2+H2↑

（x-y） 2（x-y） （x-y）

列方程：56x+160y=2.722（x-y）+6y=0.05×1.6

解得x=0.02 mol，y=0.01 mol

∴c（Fe2+）=（0.02-0.01）+0.01×30.05=0.8 mol/L

Ⅱ.上述解法較為復(fù)雜，如巧用電荷守恒法可使計(jì)算大為簡(jiǎn)化

反應(yīng)物恰好完全反應(yīng)，溶液中有下列關(guān)系

Fe2+～2Cl-

∴c（Fe2+）=12c（Cl-）=12×1.6 mol/L

=0.8 mol/L

（收稿日期：2014-10-17）