巧用守恒法解决大计算——关于硝酸与金属反应计算之巧解

张 伟

(山东省泰安市宁阳第一中学 271400)

一、守恒法简介

守恒表示在化学反应中某种不变的关系，常常以等式的形式表示之.常见的守恒包括包括质量守恒、原子个数守恒、电子得失个数守恒、电荷守恒.利用守恒关系解决问题的方法叫做守恒法.守恒法在中学化学计算中很常用.守恒法在列式时常常可不考虑中间具体过程，故很简便.在计算中运用守恒法，可以大大简化解题的过程，提高解题的速度和正确率.

二、硝酸与金属的反应分析

1．质量守恒

m(参加反应的Cu)+m(参加反应的HNO3)=m(Cu(NO3)2)+m(NO)+m(H2O)

2．原子个数守恒

(1)对于Cu原子：N(参加反应的Cu)=N(Cu(NO3)2)

(2)对于N原子：n(参加反应的HNO3)

=n(Cu(NO3)2中的N原子)+n(NO中的N原子)

=n(Cu(NO3)2)×2+n(NO)

3．电子得失守恒

Cu失电子总数=N得电子总数.即n(Cu)×2=n(NO)×3

4．电荷守恒

在硝酸与金属的反应计算中，常用的是原子个数守恒、电子得失守恒和电荷守恒，质量守恒很少用到.

三、典型例题

1．原子个数守恒

例1 把0.4 mol Cu加入适量浓HNO3中，Cu完全溶解，共收集到0.3mol气体，则反应消耗的硝酸是____mol.

分析如果HNO3一直是浓HNO3，则根据电子守恒，0.4 mol Cu失去0.8 mol电子，n(气体)=n(NO2)=0.8 mol.这与题意不符.所以反应过程应是开始是Cu与浓HNO3反应，由于HNO3不断消耗，后来就成了Cu与稀HNO3反应了.这需要写出2个化学方程式进行计算，计算过程繁琐.但如果运用原子个数守恒法，则可不写化学方程式就能快速而准确地计算出最终结果.

根据Cu守恒，有n(反消耗的Cu)=n(Cu(NO3)2)×2

根据N守恒，有n(反应消耗的硝酸)=n(Cu(NO3)2)×2+n(NO)

=0.4 mol×2+0.3 mol=1.1 mol

例2 将30 g某铜银混合物放入80 mL 13.5 mol/L的浓硝酸中，铜银混合物完全溶解，共收集到0.3 mol气体，反应后溶液中的H+的物质的量浓度为1 mol·L-1.假设反应后溶液的体积仍为80 mL，计算该混合物中铜和银的物质的量各为多少.

分析设合金中铜银的物质的量分别为x、y.

根据N原子守恒，有

n(原来的HNO3)=n(Cu(NO3)2)×2+n(AgNO3)+n(气体)+n(剩余的HNO3)

即：0.08 L×13.5 mol·L-1=2x+y+0.3+0.08 L×1 mol·L-1

再根据合金的质量是30 g，有m(Cu)+m(Ag)=30 g

即：64 mol·L-1×x+108 mol·L-1×y=30 g

联立二方程，解得，x=0.3 mol，y=0.1 mol.

2.得失电子个数守恒

例3 把0.4 mol Cu加入适量浓HNO3中，Cu完全溶解，共收集到0.3 mol气体，计算该0.3 mol气体中NO和NO2各多少mol？

分析设该0.3 mol气体中NO和NO2的物质的量分别为x、y.则有x+y=0.3 mol.

根据还原剂失电子总数=氧化剂得电子总数，有n(Cu)×2=n(NO)×3+n(NO2)

即：0.4 mol×2=3x+y

联立二方程，解得，x=0.1 mol，y=0.2 mol.

例4 足量铜与一定量浓硝酸反应，放出NO2、NO的混合气体，把这些气体与0.075 mol O2混合并通入水中，可使气体完全被水吸收.若向所得硝酸铜溶液中加入5 mol·L-1NaOH溶液至Cu2+恰好完全转化为Cu(OH)2，则至少需要加入的NaOH溶液的体积是____mL.

分析本题涉及反应很多.如果不用守恒法，由于反应有很多，所以解题过程非常繁琐.本题涉及的反应过程有：

①Cu和浓HNO3的反应：

②Cu和稀HNO3的反应：

⑤稀HNO3与NaOH溶液的反应：

⑥Cu(OH)2与NaOH溶液的反应：

3.电荷守恒

综上所述，在金属与HNO3的反应计算中，经常使用守恒法，可使计算过程简便且计算结果准确度高.本文通过对金属与HNO3的反应的探究，希能对广大师生的教学起到促进作用.