金属和硝酸的计算解题规律

何静琳

金属与硝酸的反应是一类典型的氧化还原反应,其有关计算涉及知识面广,对初学这部分内容的同学来说难度较大。以下是我对这一部分教学的理解和在实际教学中的应用。

一、反应的本质

金属与硝酸反应的实质是金属与氢离子和硝酸根离子共同作用。

例1.铜粉放入稀硫酸溶液后,加热后无明显现象发生,当加入下列一种物质后,铜粉质量减少,溶液呈蓝色,同时有气体产生,该物质可能是()

A.硫酸铁

B.碳酸钠

C.硝酸钾

D.硫酸亚铁

解析:铜不能与稀硫酸反应,但稀硫酸提供H+, 盐提供NO3-,构成强氧化条件,能溶解铜并产生气体。答案选C。

例2.铁铜混合物加入不足量的硝酸,反应后,剩余金属m1克,再向其中加入一定量稀硫酸。充分振荡后,剩余金属m2克,则m1与m2的关系是()

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:铁铜混合物与不足量的硝酸反应后生成硝酸盐,即溶液中的盐含有硝酸根离子,再加稀硫酸提供氢离子,发生氧化还原反应,会再溶解一部分金属。答案选A。

二、氮元素的守恒思想

硝酸和不活泼金属反应一般生成硝酸盐和氮氧化物,在此硝酸担当了两个角色,一是酸二是氧化剂。如果分别知道了二者的物质的量,也就知道了总消耗的硝酸的物质的量。如:铜和硝酸反应中,当3摩尔铜和8摩尔硝酸反应时,作为酸的硝酸的物质的量=6摩尔,即金属的物质的量与金属的化合价的乘积(3mol×2),作为氧化剂的硝酸的物质的量=2摩尔,即NO的物质的量。2mol+6mol=8mol,就是硝酸的总物质的量。特别提出的是:当铜和浓硝酸反应气体产物是NO2时,同样存在作为氧化剂的硝酸的物质的量等于气体的物质的量的定量关系。也就是说,当硝酸由浓变稀得到NO和NO2的混合气体产物时,也同样存在上述1:1的定量关系。在这里体现了氮元素守恒的思想。

例3.将25.6毫克铜与1.4×10-3摩尔的浓硝酸恰好完全反应,反应后收集到的气体在标准状况下的体积为 毫升。(假设反应中只产生NO或NO2)

解析:因为1mol铜参加反应生成硝酸铜对应2mol硝酸显酸性,所以25.6毫克Cu完全反应,必然有0.8×10-3mol的硝酸显酸性,其余的硝酸中的氮全转移到NO或NO2中,即有1mol硝酸作氧化剂就有1mol氮的氧化物(NO或NO2)。答案13.44mL。

例4.将1.92克铜粉与一定量浓硝酸恰好完全反应,反应后收集到的气体在标准状况下的体积为1120毫升。(假设反应中只产生NO或NO2)则消耗硝酸的物质的量为 mol。

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

解析:因为0.03mol铜参加反应生成硝酸铜对应0.06mol硝酸显酸性,0.05mol氮的氧化物(NO或NO2)对应0.05mol硝酸作氧化剂,所以共消耗硝酸0.11mol。答案选B。

三、从得失电子守恒的角度看

一般情况下金属失去的电子被+5价的氮得到,转化为NO或NO2,根据得失电子解题。

例5.在铜与稀硝酸反应中,如果有1摩尔硝酸被还原,则被氧化的铜的物质的量为

mol。

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

解析:设被氧化的铜的物质的量为xmol,则根据得失电子守恒有:

1×(5-2)=2x答案选C

四、从反应始态和最终状态看

终态法的运用使许多复杂问题简单化,在化学计算中具有非常重要的地位。

例6.铜镁合金4.6克完全溶于浓硝酸中,若反应中硝酸被还原,只产生4480毫升NO2气体和336毫升N2O4气体(标准状况下)。反应后的溶液中加足量氢氧化钠溶液,生成沉淀的质量为 克。

解析:反应中铜镁合金失去电子,最终转化为氢氧化铜和氢氧化镁沉淀,比较始态和终态,固体增加的质量为氢氧根离子的质量,而氢氧根离子的物质的量等于转移的电子的物质的量,再根据气体计算转移的电子的物质的量=4480mL/22400mL·mol-1+(336mL/

22400mL·mol-)×2=0.23mol。

所以沉淀的质量为:4.6+0.23×17=8.51g

例7.1.92克铜投入到一定量的浓硝酸中,铜完全溶解,生成的气体的颜色越来越浅,共收集到672毫升的气体(标准状况下)。将盛有此气体的容器倒扣在水槽中,通入标准状况下一定体积的氧气,恰好使气体完全溶于水,则通入的氧气的体积为 毫升。

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

解析:从反应的始态和最终状态看,铜在反应中失去电子,氧气在反应中得电子,设通入的氧气的体积为xmL,则:

(1.92/64)×2=(x/22400)×4

解得:x=336,答案选C。

作者单位:四川省洪雅中学