硝酸与金属反应的计算是一个难点,本文从思维角度加以阐述,供大家参考。 

 一、从反应的本质看: 

 金属与硝酸反应的实质是金属与H⁺和NO₃^- 共同作用. 

 例如:铜与稀硝酸反应的实质是:  3Cu +8H⁺ +2NO₃^-  ===3Cu²⁺ +4H₂O +2NO↑ 

Fe²⁺与稀硝酸反应的实质是:   3Fe²⁺ + 4H⁺ + NO₃^- === 3Fe³⁺ + 2H₂O + NO↑ 

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. Fe₂ (SO₄) ₃     B. Na₂CO₃    C. KNO₃     D.FeSO₄ 

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 g,再向其中加入一定量稀硫酸.充分振荡后, 剩余金属m₂ g, 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NO₃^-,再加稀硫酸提供H⁺,发生氧化还原反应,会再溶解一部分金属。答案 选A。 

例3.已知Fe²⁺可以水解: Fe²⁺ +2H₂OFe(OH) ₂+2H^+_，现向Fe(NO₃) ₂溶液中加入足量的稀硫酸,则溶液的颜色(   ) 。 

      A. 浅绿色加深   B.颜色变浅    C.溶液变黄    D.无法判断 

  解析: 原Fe (NO₃) ₂溶液中含有NO₃^-,再加入稀硫酸提供H⁺,发生氧化还原反应，3Fe²⁺ + 4H⁺ + NO₃^-  === 3Fe³⁺ + 2H₂O + NO↑  溶液变黄,答案 选  C 

 例4.在100 mL 混合溶液中, HNO₃ 和 H₂SO₄ 的物质的量浓度分别是 0.4 mol/L, 0.1 mol/L 向该混合液中加入 1.92 g铜粉,加热待充分反应后,所得溶液中 Cu²⁺ 的物质的量浓度是(   )。 

       A. 0.15      B.  0.225        C.  0.35              D.  0.45 

 解析: 题中告诉了HNO₃和H₂SO₄的物质的量浓度,可以求出H⁺ 和NO₃^- 的物质的量分别是 0.06 mol,  0.04 mol, 0.03 mol Cu,显然要判断过量, NO₃^- 和Cu 过量.按照 H⁺ 的量代入离子方程式计算.答案 选B。

二、从硝酸在反应中的作用: 

 参加反应的硝酸一部分显酸性,生成硝酸盐,另一部分作氧化剂,一般转化为氮的氧化物(NO或NO ₂),根据氮元素守恒解题。 

 例5.将25.6 mg Cu 与1.4×10^-3 mol 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       ml。(假设反应中只产生NO或NO ₂) 

解析: 因为1 mol Cu参加反应生成Cu (NO₃)₂对应2 mol HNO₃ 显酸性,所以25.6 mg Cu 完全反应,必然有0.8×10^-3 mol 的硝酸显酸性,其余的硝酸中的氮全转移到NO或NO₂中,即有1 mol HNO₃ 作氧化剂就有1 mol 氮的氧化物(NO或NO₂)。

答案13.44 mL.。 

例6.将1.92 g 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 mL。(假设反应中只产生NO或NO ₂)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0.03 mol Cu 参加反应生成 Cu(NO₃)₂ 对应 0.06 mol HNO₃ 显酸性,0.05 mol 氮的氧化物(NO或NO₂)对应0.05 mol HNO₃作氧化剂,所以共消耗硝酸0.11 mol。  答案 选B。 

例7.为测定某铜银合金的成分,将30 g 合金完全溶解于80 mol、浓度为 13.5 mol/L的浓硝酸中,合金完全溶解后,收集到6.72 L(标准状况下)的气体 (假设反应中只产生NO或NO₂),并测得溶液的pH=0 ， 假设反应后溶液的体积仍80 mL。 

(1)被还原的硝酸的物质的量.   (2)合金中各金属成分. 

解析:(1)被还原的硝酸就是作氧化剂的硝酸,即生成的1 mol 氮的氧化物就对应 1 mol 被还原的硝酸:所以: 

n=6.72/22.4=0.3 mol 

(2)设合金中铜银的物质的量分别为x、y则显酸性的硝酸的物质的量为2x + y 

因为PH=0则反应后溶液的氢离子浓度为1 

64x+108y=30 ①       

2x+y+6.72/22.4=0.08×13.5–0.08×1 ②(氮元素守恒) 

 解得x=0.3  y=0.1 

 例8.将6.4 g Cu与80 mol/L 60 mL 的硝酸充分反应,铜完全溶解,反应后溶液中的H⁺ 的物质的量为a mol.(假设反应中只产生NO或NO₂),此时溶液中所含NO₃^-的物质的量为      mol。 

 A.   0.28   B.  0.31    C.  a+0.2   D.  a+0.4 

 解析: 6.4 g Cu反应后生成0.1 mol Cu (NO₃)₂,再加上 HNO₃ 中的 NO₃^- 。即得答案 C 。

    三、从得失电子守恒的角度. 

 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 9.在Cu与稀硝酸反应中,如果有1 mol 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x mol.则根据得失电子守恒有:1×(5-2)=2x，  答案 选C 

  例10.题见例7 (3) 求生成的气体的成分。 

解析: (2)已解出铜银的物质的量分别为0.3 、 0.1,则 NO 和 NO₂的物质的量的关系式为： 

0.3×2+0.1×1=3n(NO)+ n(NO₂) ①(得失电子守恒)     

n(NO)+ n(NO₂)=6.72/22.4 ② 

  解得n(NO)=0.2  n(NO₂)=0.1

    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11.铜镁合金4.6 g 完全溶于浓硝酸中,若反应中硝酸被还原,只产生 4480 mL NO₂ 气体和 336 mL N₂O₄气体(标准状况下).反应后的溶液中加足量NaOH溶液,生成沉淀的质量为      g。 

   解析: 反应中铜镁合金失去电子,最终转化为 Cu(OH)₂ 和 Mg(OH)₂ 沉淀,比较始态和终态,固体增加的质量为OH^-的质量,而OH^-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:    

    n=4480 mL /22400 mL·mol^-1+(336 mL/22400 mL·mol^-)×2=0.23 mol。  

 所以沉淀的质量为: 4.6+0.23×17=8.51 g  

   例12.1.92 g Cu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 mL 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      mL。 

      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x mL,则:  

    (1.92/64)×2=(x/22400) ×4   解得:x=336，  答案选C。 

   例13.将32.64 g 铜粉与140 mL 一定量浓硝酸恰好完全反应,铜完全溶解,反应后收集到的气体在标准状况下的体积为11.2 L.(假设反应中只产生 NO 或NO₂ )请回答: 

    (1)NO的体积为     mL；NO₂的体积为     mL。 

   (2)待产生的气体全部释放后,向溶液中加入v mL a mol/L的 NaOH 溶液,恰好使溶液中的 Cu²⁺ 全部沉淀,则原硝酸的浓度为    a mol/L 

   (3)欲使铜与硝酸反应生成的气体在溶液中完全转化为 NaNO₃ ,至少需要30%的双氧水     g。 

   解析:(1)设反应中产生NO和NO₂的体积分别为x、y(据得失电子守恒有) 

  x+y=11.2①  

(x/22.4)×3+(y/22.4) ×1=(32.64/64)×2 ② 

解得x=5.824 L  y=5.376 L 

  (2)根据反应后的溶液中只有一种溶质NaNO₃ ,设原硝酸的物质的量浓度为C 

   （由氮元素守恒）则 0.14×C= 10^-3 ×v×a + 11.2/22.4，    得原硝酸的浓度为: C= (10^-3 va +0.5)/0.14 

    (3) 从反应的始态和最终状态看,铜在反应中失去电子,双氧水在反应中得到电子,需要30%的双氧水的质量为m 则(据得失电子守恒有): 

        (32.64/64)×2=〔(30%×m)/34〕×2解得:m=57.8 g

   五、 从极限的角度. 

    硝酸与铁反应,随用量的不同,产物可能是 Fe(NO₃)₂ 或 Fe(NO₃)₃ 这时可用极限法解。 如果产生的气体产物不单一,可能也要用极限法解。 

  例14.把22.4 g铁完全溶解于某浓度的硝酸中,反应只收集到 0.3 mol NO₂ 和0.2 mol NO。  下列说法正确的是(   )。 

  A.反应后生成的盐只有Fe(NO₃)₃                                      B.反应后生成的盐只有Fe(NO₃)₂ 

  C.产物中Fe(NO₃)₂和Fe(NO₃)₃的物质的量之比为1:3    D.产物中Fe(NO₃)₂和Fe(NO₃)₃的物质的量之比为3:1 

解析:用极限法判断:22.4 g铁如完全转化为Fe(NO₃)₃转移1.2 mol电子; 如完全转化为Fe(NO₃)₂转移 0.8 mol 电子,反应中实际转移0.3×1+0.2×3=0.9 mol 电子,所以产物中既有Fe(NO₃)₂又有Fe(NO₃)₃这,分别设Fe(NO₃)₂和Fe(NO₃)₃的物质的量分别x、y， 则(据得失电子守恒有) :    x+y=0.4①   2×x+3×y=0.9② 

 解之:x=0.3  y=0.1，  答案 选D。 

 例 15. 0.03 mol 的铜完全溶于硝酸,产生氮的氧化物NO、NO₂ 、N₂O_4， 混合气体共 0.05 mol,该混合气体的平均相对分子量可能是(    )。 

   A . 30               B . 46                   C.  50                D.  66 

解析:假设0.05 mol 气体全是NO则转移 0.15 mol 电子;假设0.05 mol 气体全是NO₂则转0.05 mol电子；假设0.05 mol气体全是N₂O₄则转移 0.1 mol电子，而实际 0.03 mol 的铜在反应中转移 0.06 mol的电子,因为 0.06 介于 0.05 和 0.15 之间；0.05和0.1 之间；所以用极限法判断组成可能有两种极限。 

 (1) 气体为NO₂和NO的混合气体. 

解:设NO₂和NO的物质的量分别为x、y则(据得失电子守恒) : 

      x+y=0.05①   x+3y=0.06② 解之:x=0.045  y=0.005， 

所以平均相对分子量为:(46×9+30×1)/10=44.4 

   (2)气体为NO₂和N₂O₄的混合气体: 

 解:设NO₂和N₂O₄的物质的量分别为x、y则(据得失电子守恒) : 

      x+y=0.05①   x+2y=0.06②  

解之:x=0.04  y=0.01，所以平均相对分子量为:(46×4+92×1)/5=55.2，实际分子量应介于44.4与55.2之间，答案 选 B  C。