硝酸与金属反应的计算

王萌丽

一、硝酸与金属反应的有关计算方法

硝酸与金属反应的计算主要围绕“得失电子守恒”“氮原子守恒”两个守恒思想来解题。

（1）得失电子守恒。硝酸与金属的反应属于氧化还原反应，氮原子得到电子的总数等于金属原子失去电子的总数。

（2）原子守恒。硝酸與金属反应时，反应物HNO₃中NO₃^—一部分仍以NO₃^—的形式存在，一部分转化为还原产物，这两部分中N的物质的量之和与反应消耗的HNO₃中N的物质的量相等。

以Cu与硝酸反应为例来说明。①Cu与足量浓硝酸反应：Cu+4HNO₃（浓）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O根据得失电子守恒，n（e）=2n（Cu）=n（NO₂）。根据氮原子守恒，消耗的n（HNO₃）=2n[Cu（NO₃）₂]+n（NO₂）。②Cu与足量稀硝酸反应：3Cu+8HNO₃（稀）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O根据得失电子守恒，n（e）=2n（Cu）=3n（NO）。根据氨原子守恒，消耗的n（HNO₃）=2n[Cu（NO₃）₂]+n（NO）。③Cu与一定量的浓硝酸反应：反应开始时，还原产物是NO₂;随着反应的进行，浓硝酸变为稀硝酸，还原产物为NO，整个反应过程中，还原产物为NO₂和NO的混合气体。

根据得失电子守恒，n（e）=2n（Cu）=n（NO₂）+3n（NO）。根据氮原子守恒，消耗的n（HNO₃）=2n[Cu（NO₃）₂]+n（NO₂）+n（NO）。

角度1.得失电子守恒法

例1.将12.8g铜片加入100mL一定浓度的硝酸溶液中，铜片完全溶解，产生NO和NO₂的混合气体4.48L（标准状况下）;若向反应后的溶液中加入400mL2mol·L^-1NaOH溶液，能使溶液中的Cu²⁺恰好完全沉淀。 下列说法不正确的是（   ）

A.混合气体中NO和NO₂的体积比为1：1

B.原硝酸溶液的物质的量浓度为10mol·L^-1

C.铜片与硝酸反应过程中转移电子0.4mol

D.反应后溶液中剩余的NO₃^—物质的量为0.4mol

解题思路：这类题目一般把硝酸分成两部分分别计算，一部分是表现氧化性而被还原的，根据还原产物的量进行计算;另一部分表现酸性，根据溶液中硝酸根离子的量来计算。在计算过程中，可以综合运用得失电子守恒、氮原子守恒及其他相关离子的守恒来简化计算过程。

解析：12.8g铜片的物质的量为0.2mol，加入100mL一定浓度的硝酸溶液中，铜片完全溶解，所以铜失去电子的物质的量为0.4mol。产生NO和NO₂的混合气体4.48L（标准状况下），该气体的总物质的量为0.2 mol;根据得失电子守性可得3n（NO）+n（NO₂）=0.4 mol，结合n（NO）+n（NO₂）=0.2 mol，可以计算出n（NO）=0.1 mol、n（NO₂）=0.1 mol，所以混合气体中NO和NO₂的体积比为1：1。若向反应后的溶液中加入400mL2 mol.L^-1的NaOH溶液，则加入的氧氧化钠的物质的量为0.8 mol，能使溶液中的Cu²⁺恰好完全沉淀，根据钠原子守恒可以推断溶液中一定有0.8mol硝酸钠生成，所以反应后溶液中剩余的NO₃^—的物质的量为0.8mol。再根据氮原子守恒，可以计算出原来硝酸的物质的量为0.2 mol+0.8 mol=1 mol，由于原硝酸溶液的体积为0.1L，所以原硝酸溶液的物质的量浓度为1mol/0.1L=10 mol·L^-1，综上所述，D错误。

角度2.原子守恒法

例2：38.4 mg Cu与适量的浓硝酸反应，Cu全部反应后，共收集到22.4mL（标准状况下）气体。反应消耗的HNO₃的物质的量是（    ）

A.1.0×10^-3mol            B.1.6×10^-3 mol

C.2.2×10^-3mol           D.2.4×10^-3mol

解题思路：由于硝酸反应的复杂性而使该类计算有一定的难度，但只要掌握恰当的方法和技巧，巧用原子守恒法、极端假设法，就会使问题由难变易，使解答过程由复杂变简单，从而提高解题速度。

解析：Cu跟浓硝酸反应的化学方程式为Cu+4HNO₃（浓）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O。隨着反应的进行，浓硝酸会逐渐变成稀硝酸，反应则变为3Cu+8HNO₃（稀）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O。

解法1原子守恒法

由题知：n（Cu）=n[Cu（NO₃）₂]=38.4×10^-3g/64g·mol^-1 =6.0×10^-4mol，n（NO、NO₂）=22.4mL×10^-3/22. 4 L · mol^-1=1×10^-3mol

根据氮原子守恒法，参加反应的HNO₃一部分表现酸性，一部分表现氧化性，表现氧化性的HNO₃被还原为NO、NO₂，故反应消耗的n（HNO₃）=nHNO₃（酸性）+nHNO₃（氧化性）=2×6×10^-4mol+1×10^-3mol=2.2×10^-3mol

则C项正确。

解法2 极端假设法

由题知n（Cu）=38.4×10^-3g/64g·mol^-1 =6.0×10^-4mol，若38.4 mg Cu 全部与浓硝酸反应，根据Cu+4HNO₃（浓）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O则可求得参加反应的n（HNO₃）=6.0×10^-4mol×4=2.4×10^-3mol若38.4mgCu全部与稀硝酸反应，根据3Cu+8HNO₃（稀）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，则可求得参加反应的n（HNO₃）=6.0×10^-4mol x 3/8=1.6×10^-3 mol。

事实上Cu先与浓硝酸反应，浓硝酸变稀后，又与稀硝酸反应，所以消耗的HNO₃的物质的量应在1.6×10^-3mol和2.4×10^-3mol之间。观察选项可知应选C。