12 月 12 日 硝酸与金属反应的有关计算 高考频 度：★★★★☆ 难易程度：★★★★★ 典例在线 将 128 g 铜置于一定量的浓硝酸中并微热。当铜片完全消失时，共收集到 NO2 和 NO 的混合气体 44.8 L(标准状况)。 (1)写出上述过程中有关反应的离子方程式：___________________、_______________。 (2)混合气体中 NO2 的体积为__________ L，NO 的体积________ L(均为标准状况下)。 (3)将收集上述气体的容器倒扣在盛有水的水槽中，并向其中缓慢通入 O2 使其充分反应，若要使溶液恰好 充满容器，则理论上需要参加反应的 O2 的物质的量为________mol。 【答案】(1)Cu+4H++2NO3−=Cu2++2NO2↑+2H2O 3Cu+8H++2NO3−=3Cu2++2NO↑+4H2O (2)22.4 22.4 (3)1 【解析】Cu 与浓硝酸反应产生硝酸铜、二氧化氮和水，反应进行到一定程度后，硝酸变为稀硝酸，稀硝酸 与铜发生反应产生硝酸铜、一氧化氮和水，在反应过程中 Cu 失去电子的物质的量与硝酸变为二氧化氮、 一氧化氮获得电子的物质的量相等，据此可计算出混合气体中两种气体的体积；将盛有反应产生的气体的 容器倒扣在盛有水的水槽中，不断通入氧气，至溶液恰好充满容器，二氧化氮、一氧化氮又变为硝酸，则 氧气获得电子的物质的量与铜失去电子的物质的量相等，据此计算反应消耗氧气的物质的量。 (1) Cu 与浓硝酸反应产生硝酸铜、二氧化氮和水，反应的离子方程式为 Cu+4H++2NO3−=Cu2+ +2NO2↑+2H2O；当反应进行到一定程度后，硝酸变为稀硝酸，这时稀硝酸与铜发生反应产生硝酸铜、一氧 化氮和水，该反应的离子方程式为 3Cu+8H++2NO3−=3Cu2++2NO↑+4H2O； (2)n(Cu)=128 g÷64 g/mol=2mol，由于 Cu 是+2 价金属，所以 n(e−)=2 n(Cu)=2×2 mol=4 mol，根据反应过程 可知 n(NO2)+n(NO)=44.8 L÷22.4 L/mol=2 mol，由反应过程中得失电子守恒可得 n(NO2)+3n(NO)=4 mol，两 式联立可得 n(NO2)=n(NO)=1 mol，所以 V(NO2)=V(NO)=22.4 L； (3)将收集上述气体的容器倒扣在盛有水的水槽中，并向其中缓慢通入 O2 使其充分反应，若要使溶液恰好 充满容器，则 NO2、NO 又转化为 HNO3，最终结果是 Cu 失去电子，O2 获得电子，根据电子守恒可得 4n(O2)=4mol，所以理论上需要参加反应的 O2 的物质的量为 n(O2)=1 mol。 解题必备 硝酸与金属反应的有关计算方法 1．从反应的本质看：金属与硝酸反应的实质是金属与 H+和 例如：铜与稀硝酸反应的实质是：3Cu +8H++2 Fe2+与稀硝酸反应的实质是：3Fe2+ +4H+ + 的共同作用。 ===3Cu2+ +4H2O +2NO↑。 ===3Fe3+ +2H2O+NO↑。 2．从硝酸在反应中的作用看：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 NO2)，根据氮元素守恒解题。 3．从守恒的角度看： (1)电子守恒：硝酸与金属反应属于氧化还原反应，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 (也可能会转化为 N2O、N2 和 NH3)，N 原子得到的电子数等于金属原子失去的电子数，由此可 求出氮元素被还原后的价态，根据价态确定反应产物。 (2)原子守恒：硝酸与金属反应时，一部分以 的形式存在，一部分转化为还原产物，这两部分中 N 的 物质的量与反应消耗的 HNO3 中 N 的物质的量相等。 4．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。 学霸推荐 1．将相同质量的铜分别与过量浓硝酸、稀硝酸反应，下列叙述正确的是 A．消耗硝酸的物质的量：前者少，后者多 B．反应中转移的电子总数：两者相同 C．反应速率：两者相同 D．反应生成气体的颜色：前者浅，后者深 2．各取 0.1 mol Cu 分别投入足量的下列酸中(必要时可加热)：①浓硫酸、②浓硝酸、③稀硫酸、④稀硝酸， 充分反应后在相同条件下得到的气体体积由大到小的顺序是 A．②>④>①>③ B．②>①>④>③ C．①>②>④>③ D．③>④>①>② 3．1.92g 铜投入一定量浓 HNO3 中，铜完全溶解，生成气体颜色越来越浅，共收集到 672 mL 气体(标况)。 将盛有此气体的容器倒扣在水中，通入标况下一定体积的 O2，恰好使气体完全溶于水中，则通入 O2 的体积可能是 A．504 mL B．168 mL C．224 mL D．336 mL 4．将铁粉和铜粉的均匀混合物平均分成四等份，分别加入同浓度的稀硝酸，充分反应，在标准状况下生 成 NO 的体积和剩余金属的质量如下表(设硝酸的还原产物只有 NO)。下列计算结果正确的是 编号 ① ② ③ ④ 硝酸体积/mL 100 200 300 400 剩余金属/g 18.0 9.6 0 0 NO 体积/L 2.24 4.48 6.72 V A．①中溶液存在 Fe3+ C．②中溶解了 9.6 g Cu B．硝酸的浓度为 4mol/L D．④中 V=6.72 5．16.8gFe 跟一定量浓 HNO3 反应，Fe 全部溶解，共收集 NO、NO2 的总体积为 11.2 L(标准状况)，所得溶 液中 H+的物质的量为 0.02 mol，请回答： (1)反应中被还原的硝酸为_______mol。 (2)生成的 NO 与 NO2 的物质的量之比为______。 (3)写出该反应的离子方程式：______。 参考答案 1．【答案】B 【解析】A．铜与浓硝酸反应的方程式为：Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O，1 mol 铜消耗 4 mol 浓硝酸；铜与稀硝酸反应的方程式为： 3Cu+8HNO3===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O，3 mol 铜消耗 8 mol 稀硝酸，所以相同质量的铜，分别和过量浓硝酸、稀硝酸反应，消耗硝酸的物质的量：前者多， 后者少，故 A 错误；B．相同质量的铜分别和过量浓硝酸、稀硝酸反应，铜完全反应，铜做还原剂， 被氧化都生成铜离子，失去电子数相同，故 B 正确；C．浓硝酸氧化性强于稀硝酸，所以反应速率： 前者快，后者慢，故 C 错误；D．铜与浓硝酸反应生成红棕色的二氧化氮，与稀硝酸反应生成无色的 一氧化氮，反应生成气体的颜色：前者深，后者浅，故 D 错误；故选 B。 2．【答案】B 【解析】由于 Cu 的物质的量一定，则与足量的不同酸反应时失电子总量相等。产生 1 mol 气体得电子 数：浓硫酸→SO2，2 mol 电子；浓硝酸→NO2，1 mol 电子；Cu 与稀硫酸不反应；稀硝酸→NO，3 mol 电子，则产生气体体积由大到小的顺序为②>①>④>③。 3．【答案】D 【解析】1.92g 铜的物质的量为 n(Cu)=1.92g÷64g/mol=0.03mol，由于 Cu 是+2 价的金属，因此反应过程 中转移电子的物质的量为 n(e−)=2n(Cu)=2×0.03mol=0.06mol，在反应过程中，Cu 失去电子变为 Cu2+，HNO3 获得电子变为 NO2、NO，当向反应后的气体中通入 O2 时，氮的氧化物又转化为 HNO3，O2 获得电子变为 HNO3，因此氧气获得的电子的物质的量等于 Cu 失去电子的物质的量，所以 根据电子得失数目相等可知 4n(O2)=n(e−)=0.06mol，则 n(O2)=0.06mol÷4=0.015mol，则通入 O2 在标准状 况下的体积是 v(O2)=0.015mol×22.4L/mol=0.336L=336mL，故合理选项是 D。 4．【答案】B 【解析】铁和铜均可以被硝酸氧化，由于还原性强弱关系为 Fe>Cu>Fe2+，Fe、Cu、Fe2+将被硝酸依次 氧 化 ， 过 程 发 生 的 反 应 有 ： 3Fe+8HNO3===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O，3Cu+8HNO3===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O，3Fe(NO3)2+4HNO3== =3Fe(NO3)3+NO↑+2H2O，据此分析。A. 由表格可知，第①次实验中有固体金属剩余，因为还原性 Fe>Cu>Fe2+ ， 剩 余 的 固 体 是 铁 和 铜 的 混 合 物 或 只 有 铜 ， 发 生 的 反 应 有 ： 3Fe+8HNO3===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O，可能部分 Cu 被氧化 3Cu+8HNO3===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O， 所以①溶液中肯定没有 Fe3+ ，A 项错误；B.第②次实验可以看作在第①实验后的混合物中继续加 100mL 稀硝酸，仍有 9.6g 固体金属剩余，说明 HNO3 耗尽，发生的反应只能是这两个反应中的 1 个或 2 个：3Fe+8HNO3===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O，3Cu+8HNO3===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。产生 NO 体积 4.48 L−2.24 L=2.24 L，n(NO)= =0.1mol。根据反应方程式得关系式 4HNO3~NO，这 100 mL 稀 硝 酸 中 HNO3 的 物 质 的 量 =4n(NO)=4×0.1 mol=0.4 mol ， 所 以 稀 硝 酸 的 浓 度 c(HNO3)= =4 mol/L，B 项正确；C. 第②次实验可以看作在第①次实验后的混合物中继续加 100 mL 稀硝酸，这 100 mL 稀硝酸溶解金属的质量为 18.0 g−9.6 g=8.4 g，产生 NO 的物质的量 n(NO)= 生 的 反 应 只 能 是 这 两 个 反 应 中 的 1 =0.1 mol，发 个 或 2 个 ： 3Fe+8HNO3===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O ， 3Cu+8HNO3===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O 。 有 关 系 式 3Fe~8HNO3~2NO 或 3Cu~8HNO3~2NO，溶解金属的物质的量= 的金属的平均摩尔质量= ×n(NO)= ×0.1 mol=0.15 mol，溶解 =56 g/mol(恰好是铁的摩尔质量)，因此这 100 mL 稀硝酸溶解的全是铁， 所以实验②中没有铜溶解，C 项错误；D. 第③次实验可以看作在第②次实验后