新教材適用2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第5章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素微專題2硝酸與金屬反應(yīng)的相關(guān)計(jì)算學(xué)案新人教版必修第二冊(cè)

微專題2硝酸與金屬反應(yīng)的相關(guān)計(jì)算1．思維模型2．計(jì)算方法(以Cu與硝酸反應(yīng)為例)(1)原子守恒法：反應(yīng)前全部的N元素只存在于HNO3中，反應(yīng)后含N元素的物質(zhì)有HNO3的還原產(chǎn)物(假設(shè)有NO2、NO)和Cu(NO3)2，則有n(HNO3)消耗＝n(NO2)＋n(NO)＋2n[Cu(NO3)2]。(2)得失電子守恒法：反應(yīng)中失去電子的是參與反應(yīng)的Cu，Cu－2e－→Cu2＋；得到電子的是被還原的HNO3(假設(shè)還原產(chǎn)物為NO2、NO)，NOeq\o\al(－,3)＋e－→NO2、NOeq\o\al(－,3)＋3e－→NO。依據(jù)得失電子守恒，則有2n(Cu)＝n(NO2)＋3n(NO)。若將生成的氮的氧化物氣體與肯定量的氧氣共同通入水中，氮的氧化物完全生成硝酸，由于起先反應(yīng)物為硝酸，中間生成了氮的氧化物，但最終又變回了硝酸，所以相當(dāng)于銅失的電子最終由氧氣得到，則有2n(Cu)＝4n(O2)。(3)電荷守恒法：在Cu與HNO3反應(yīng)后的溶液中，若HNO3不過量，陽(yáng)離子只有Cu2＋，陰離子只有NOeq\o\al(－,3)(此類計(jì)算不考慮H2O電離出的極少量的H＋、OH－)；若HNO3過量，溶液中的陽(yáng)離子有Cu2＋和H＋，陰離子只有NOeq\o\al(－,3)。則有①若HNO3不過量：n(NOeq\o\al(－,3))＝2n(Cu2＋)；②若HNO3過量：n(NOeq\o\al(－,3))＝2n(Cu2＋)＋n(H＋)。(4)離子方程式計(jì)算法：金屬與硫酸、硝酸的混合酸反應(yīng)時(shí)，由于硝酸鹽中NOeq\o\al(－,3)在硫酸供應(yīng)H＋的條件下能接著與金屬反應(yīng)，故此類題目應(yīng)用離子方程式來計(jì)算3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O。先作過量推斷，然后依據(jù)完全反應(yīng)的金屬或H＋或NOeq\o\al(－,3)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，且要符合電荷守恒。3．常見的兩種計(jì)算(1)硝酸與銅反應(yīng)濃硝酸與足量的銅反應(yīng)，起先濃硝酸被還原為NO2，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，濃硝酸變稀，稀硝酸被還原為NO，向反應(yīng)后的溶液中加稀硫酸，NOeq\o\al(－,3)又被還原為NO。(2)稀硝酸與鐵反應(yīng)Fe(少量)＋4HNO3(稀)=Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O；3Fe(過量)＋8HNO3(稀)=3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。①eq\f(n(HNO3),n(Fe))≥4，產(chǎn)物為Fe(NO3)3；②eq\f(n(HNO3),n(Fe))≤eq\f(8,3)，產(chǎn)物為Fe(NO3)2；③eq\f(8,3)<eq\f(n(HNO3),n(Fe))<4，產(chǎn)物為Fe(NO3)3和Fe(NO3)2。跟|蹤|訓(xùn)|練1.銅與肯定量濃硝酸反應(yīng)，得到硝酸銅溶液和NO、N2O4、NO2的混合氣體，這些氣體與5.6LO2(標(biāo)準(zhǔn)狀況)混合后通入水中，全部氣體完全被水汲取生成硝酸，則消耗銅的質(zhì)量為(B)A．16g B．32gC．64g D．無法計(jì)算解析：銅與肯定量濃硝酸反應(yīng)，得到硝酸銅溶液和NO、N2O4、NO2的混合氣體，這些氣體與5.6LO2(標(biāo)準(zhǔn)狀況)混合后通入水中，全部氣體完全被水汲取生成硝酸，則整個(gè)過程中HNO3反應(yīng)前后沒有改變，證明氧氣得到的電子和銅失去的電子相同，由電子守恒可知n(Cu)×2＝n(O2)×4，n(Cu)＝2×eq\f(5.6L,22.4L·mol－1)＝0.5mol，消耗銅的質(zhì)量＝0.5mol×64g·mol－1＝32g。2．在肯定溫度下，32g金屬銅與足量某濃度的硝酸溶液完全反應(yīng)，生成NO2和NO的物質(zhì)的量之比為1∶3，則反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移的電子為(A)A．1mol B．2molC．3mol D．4mol解析：因銅完全反應(yīng)，則銅失去的電子數(shù)即為該反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，即反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為eq\f(32g,64g·mol－1)×2＝1mol，故A項(xiàng)正確。3．某100mL混合液中，HNO3和H2SO4的物質(zhì)的量濃度分別是0.4mol·L－1和0.1mol·L－1，向該混合液中加入1.92g銅粉，加熱，待充分反應(yīng)后，所得溶液中Cu2＋的物質(zhì)的量濃度(忽視體積改變)為(B)A．0.15mol·L－1 B．0.225mol·L－1C．0.35mol·L－1 D．0.45mol·L－1解析：解答本題要從離子反應(yīng)的角度來考慮，H2SO4供應(yīng)的H＋可以和NOeq\o\al(－,3)構(gòu)成強(qiáng)氧化性環(huán)境，接著氧化銅單質(zhì)。HNO3、H2SO4混合液中H＋總的物質(zhì)的量為0.06mol，NOeq\o\al(－,3)的物質(zhì)的量為0.04mol，Cu的物質(zhì)的量為0.03mol。Cu與稀硝酸發(fā)生反應(yīng)：3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O3820．03mol0.06mol0.04molH＋量不足，應(yīng)依據(jù)H＋的物質(zhì)的量來計(jì)算。3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O830.06moln(Cu2＋)n(Cu2＋)＝0.06mol×eq\f(3,8)＝0.0225mol，c(Cu2＋)＝eq\f(0.0225mol,0.1L)＝0.225mol·L－1。4．(2024·長(zhǎng)春試驗(yàn)中學(xué)高一檢測(cè))將3.84gCu和肯定量的濃HNO3反應(yīng)，當(dāng)Cu反應(yīng)完全時(shí)，共收集到2.24LNO2和NO的混合氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況，不考慮NO2轉(zhuǎn)化為N2O4)，則反應(yīng)中消耗HNO3的物質(zhì)的量為(D)A．0.1mol B．0.24molC．0.16mol D．0.22mol解析：銅與硝酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化為Cu(NO3)2、NO和NO2，依據(jù)銅原子守恒n[Cu(NO3)2]＝n(Cu)＝eq\f(3.84g,64g·mol－1)＝0.06mol，NO和NO2的物質(zhì)的量共為n＝eq\f(V,Vm)＝eq\f(2.24L,22.4L·mol－1)＝0.1mol，依據(jù)氮原子守恒：n(HNO3)＝2n[Cu(NO3)2]＋n(NO)＋n(NO2)＝2×0.06mol＋0.1mol＝0.22mol。5．將14g銅銀合金與足量的硝酸反應(yīng)，放出的氣體與標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為1.12L的O2混合后再通入水中，恰好全部汲取，則合金中銅的質(zhì)量為(B)A．4.8g B．3.2gC．6.4g D．10.8g6．(2024·吉林省試驗(yàn)中學(xué)高一期中)amolFeS與bmolFeO投入到VLcmol·L－1硝酸中充分反應(yīng)，產(chǎn)生NO氣體，所得澄清溶液成分可看作是Fe(NO3)3和H2SO4的混合液，則反應(yīng)中未被還原的硝酸可能為(D)①(a＋b)×63g②(a＋b)×189g③eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(cV－\f(a＋b,3)))mol④eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(cV－\f(9a＋b,3)))molA．①④ B．②③C．①③ D．②④解析：由Fe守恒可知，n[Fe(NO3)3]＝(a＋b)mol，則反應(yīng)未被還原的硝酸的物質(zhì)的量＝n(NOeq\o\al(－,3))＝3(a＋b)mol，其質(zhì)量為(a＋b)×189g；由S守恒可知，n(H2SO4)＝amol，由電子轉(zhuǎn)移守恒可知，被還原的硝酸的物質(zhì)的量為eq\f((a＋b)＋8a,3)mol＝eq\f(9a＋b,3)mol，則反應(yīng)中未被還原的硝酸為eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(cV－\f(9a＋b,3)))mol。7．將32.64g銅與140mL肯定濃度的硝酸反應(yīng)，銅完全溶解，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下的一氧化氮和二氧化氮混合氣體共11.2L。請(qǐng)回答下列問題：(1)產(chǎn)生一氧化氮的體積為_5.824__L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)。(2)待反應(yīng)結(jié)束后，向溶液中加入VmLamol·L－1氫氧化鈉溶液，恰好使溶液中的Cu2＋全部轉(zhuǎn)化為沉淀，則原硝酸的濃度為eq\f(aV×10－3＋0.5,0.14)mol·L－1(不必化簡(jiǎn))。(3)欲使銅與硝酸反應(yīng)生成的氣體在氫氧化鈉溶液中全部轉(zhuǎn)化為硝酸鈉，至少須要氧氣_0.255__mol。解析：(1)該過程發(fā)生兩個(gè)反應(yīng)：3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O。設(shè)生成的NO和NO2的物質(zhì)的量分別為x、y，則x＋y＝0.5mol,1.5x＋0.5y＝0.51mol，解得x＝0.26mol，y＝0.24mol，故標(biāo)準(zhǔn)狀況下V(NO)＝0.26mol×22.4L·mol－1＝5.824L。(2)Cu2＋恰好全部轉(zhuǎn)化為沉淀時(shí)，溶液中未被還原的HNO3的物質(zhì)的量n(HNO3)＝n(NaOH)，表現(xiàn)氧化性的HNO3的物質(zhì)量為n(HNO3)＝n(NO)＋n(NO2)，故原硝酸中HNO3的物質(zhì)的量n(HNO3)＝n(NaOH)＋n(NO)＋n(NO2)＝(aV×10－3＋0.5)mol，則c(HNO3)＝eq\f(aV×10－3＋0.5,0.14)mol·L－1。(3)通入氧氣的目的是將0.26molNO和0.24molNO2全部轉(zhuǎn)化為HNO3。依據(jù)得失電子守恒：4n(O2)＝3n(NO)＋n(NO2)＝3×0.26mol＋0.24mol＝1.02mol，則n(O2)＝0.255mol。階段重點(diǎn)突破練(二)一、氮及其氧化物重要性質(zhì)及相關(guān)計(jì)算1．(2024·西安高一檢測(cè))下列反應(yīng)屬于固氮反應(yīng)的是(D)A．8NH3＋6NO2eq\o(=,\s\up7(催化劑),\s\do5(△))7N2＋12H2OB．O2＋2NO=2NO2C．NH3＋HCl=NH4ClD．N2＋3H2eq\o(,\s\up7(高溫、高壓),\s\do5(催化劑))2NH32．(2024·福州高一檢測(cè))下列說法正確的是(B)A．試驗(yàn)室能用排空氣法收集N2、NO和NO2B．NO2為紅棕色氣體，NO為無色氣體C．除去NO2中的NO氣體可以使混合氣體通過蒸餾水D．NO、NO2、N2O4、N2O5都屬于酸性氧化物解析：N2的密度與空氣接近，簡(jiǎn)單混合，不能運(yùn)用排空氣法收集；NO與O2反應(yīng)產(chǎn)生NO2，也不能運(yùn)用排空氣法收集，A錯(cuò)誤；NO為無色氣體，NO2為紅棕色氣體，B正確；NO2與水反應(yīng)產(chǎn)生HNO3和NO，因此除去NO中的NO2氣體可以使混合氣體通過蒸餾水，C錯(cuò)誤；NO是不成鹽氧化物；NO2、N2O4與水反應(yīng)時(shí)N元素化合價(jià)會(huì)發(fā)生改變，也不是酸性氧化物；只有N2O5屬于酸性氧化物，D錯(cuò)誤。3．將盛有NO和NO2混合氣體的試管倒立于水中，經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，試管內(nèi)氣體的體積縮小為原來的一半，則原混合氣體中NO和NO2的體積比是(C)A．1∶1 B．1∶2C．1∶3 D．1∶4二、氨及銨鹽4．(2024·玉溪高一檢測(cè))相同的試驗(yàn)儀器可以有不同的用途。下列有關(guān)試驗(yàn)操作正確的是(D)5．試驗(yàn)室里可按如下圖所示的裝置來干燥、收集氣體R，多余的氣體R可用水汲取，則氣體R是(D)A．HCl B．Cl2C．CO D．NH3解析：從儲(chǔ)氣瓶導(dǎo)管長(zhǎng)短及防倒吸裝置可看出R應(yīng)是一種比空氣密度小，易溶于水的氣體，故D正確。6．(2024·湖南選擇考)科學(xué)家發(fā)覺某些生物酶體系可以促進(jìn)H＋和e－的轉(zhuǎn)移(如a、b和c)，能將海洋中的NOeq\o\al(－,2)轉(zhuǎn)化為N2進(jìn)入大氣層，反應(yīng)過程如圖所示。下列說法正確的是(D)A．過程Ⅰ中NOeq\o\al(－,2)發(fā)生氧化反應(yīng)B．a(chǎn)和b中轉(zhuǎn)移的e－數(shù)目相等C．過程Ⅱ中參與反應(yīng)的n(NO)∶n(NHeq\o\al(＋,4))＝1∶4D．過程Ⅰ→Ⅲ的總反應(yīng)為NOeq\o\al(－,2)＋NHeq\o\al(＋,4)=N2↑＋2H2O解析：由圖示可知，過程I中NOeq\o\al(－,2)轉(zhuǎn)化為NO，氮元素化合價(jià)由＋3降低到＋2，NOeq\o\al(－,2)是氧化劑，被還原，發(fā)生還原反應(yīng)，A錯(cuò)誤；由圖示可知，過程Ⅰ為NOeq\o\al(－,2)在酶1的作用下轉(zhuǎn)化為NO和H2O，依據(jù)得失電子守恒、電荷守恒和原子守恒可知，反應(yīng)的離子方程式為NOeq\o\al(－,2)＋2H＋＋e－NO↑＋H2O，生成1molNO，a過程轉(zhuǎn)移1mole－；過程Ⅱ?yàn)镹O和NHeq\o\al(＋,4)在酶2的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成H2O和N2H4，依據(jù)得失電子守恒、電荷守恒和原子守恒可知，反應(yīng)的離子方程式為NO＋NHeq\o\al(＋,4)＋3e－＋2H＋H2O＋N2H4，消耗1molNO，b過程轉(zhuǎn)移4mole－，轉(zhuǎn)移電子數(shù)目不相等，B錯(cuò)誤；由圖示可知，過程Ⅱ中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為NO＋NHeq\o\al(＋,4)＋3e－＋2H＋H2O＋N2H4，n(NO)∶n(NHeq\o\al(＋,4))＝1∶1，C錯(cuò)誤；由圖示可知，過程Ⅲ中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為N2H4N2↑＋4H＋＋4e－，過程Ⅰ→Ⅲ的總反應(yīng)為NOeq\o\al(－,2)＋NHeq\o\al(＋,4)=N2↑＋2H2O，D正確。7．已知氨氣可與灼熱的氧化銅反應(yīng)得到氮?dú)夂徒饘巽~，用如圖中的裝置(省略?shī)A持裝置及加熱裝置)可以實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)。試驗(yàn)時(shí)C中粉末漸漸變?yōu)榧t色，D中出現(xiàn)無色液體。下列有關(guān)說法正確的是(D)A．試管A中加入的試劑為NH4Cl固體B．反應(yīng)中氧化劑和還原劑的物質(zhì)的量之比為2∶3C．裝置B中加入的物質(zhì)可以是堿石灰或無水氯化鈣D．裝置D中液體可以使干燥的紅色石蕊試紙變藍(lán)三、硝酸的性質(zhì)和計(jì)算8．下列有關(guān)試驗(yàn)操作、現(xiàn)象和說明或結(jié)論都正確的是(D)選項(xiàng)試驗(yàn)操作現(xiàn)象說明或結(jié)論①將過量的Fe粉加入稀HNO3中，充分反應(yīng)后，滴入KSCN溶液溶液呈紅色稀HNO3將Fe氧化為Fe3＋②濃HNO3久置或光照變黃色HNO3不穩(wěn)定易分解③鋁箔插入稀HNO3中無現(xiàn)象鋁箔表面被HNO3氧化，形成致密的氧化膜④用玻璃棒蘸取濃HNO3點(diǎn)到藍(lán)色石蕊試紙上試紙先變紅色后褪色濃HNO3具有酸性和強(qiáng)氧化性A.①② B．③④C．②③④ D．②④解析：將過量的鐵粉加入稀HNO3中，生成Fe2＋，加入KSCN溶液時(shí)，顏色不變，故①錯(cuò)；濃HNO3久置變黃是因?yàn)镠NO3分解產(chǎn)生的NO2溶于濃HNO3所致，故②正確；鋁箔遇濃HNO3鈍化，遇稀HNO3會(huì)溶解，故③錯(cuò)；濃HNO3具有酸性和強(qiáng)氧化性，可使藍(lán)色石蕊試紙先變紅色后褪色，故④正確。9．0.3molCu2S與HNO3溶液恰好完全反應(yīng)，生成Cu(NO3)2、H2SO4、NO和H2O，則未被還原的HNO3的物質(zhì)的量是(B)A．1.0mol B．1.2molC．0.3mol D．2.2mol解析：未被還原的HNO3中的氮原子的物質(zhì)的量＝反應(yīng)后Cu(NO3)2中氮原子的物質(zhì)的量。由Cu2S～2Cu(NO3)2得，n[Cu(NO3)2]＝0.6mol，所以未被還原的HNO3的物質(zhì)的量是1.2mol。10．向含有1molHNO3和1molH2SO4的混合溶液中漸漸加入鐵粉至過量，溶液中金屬陽(yáng)離子a、b與所加鐵粉的物質(zhì)的量的關(guān)系如圖所示(已知稀硝酸的還原產(chǎn)物只有NO)。下列有關(guān)推斷不正確的是(C)A．a(chǎn)表示Fe3＋的關(guān)系曲線B．n1＝0.75C．P點(diǎn)時(shí)，n(Fe2＋)＝0.5625molD．向P點(diǎn)溶液中加入銅粉，最多可溶解14.4g解析：該反應(yīng)可以看作兩步：①Fe＋4H＋＋NOeq\o\al(－,3)=Fe3＋＋NO↑＋2H2O，硝酸根離子過量，氫離子不足；②2Fe3＋＋Fe=3Fe2＋。a表示Fe3＋的關(guān)系曲線，A正確；溶液中共有3molH＋參與反應(yīng)，消耗鐵為0.75mol，B正確；P點(diǎn)n(Fe2＋)＝n(Fe3＋)，二者均為0.45mol，C錯(cuò)誤；剩余0.45molFe3＋，消耗0.225mol銅，質(zhì)量為14.4g，D正確。四、氮及其化合物的綜合試驗(yàn)11．(2024·廣東試驗(yàn)中學(xué)高一期中)試驗(yàn)室模擬工業(yè)制備硫氰化鉀的試驗(yàn)裝置如圖所示(部分夾持裝置已略去)：已知：CS2是密度比水大且不溶于水的液體，NH3不溶于CS2。在肯定條件下發(fā)生反應(yīng)：CS2＋3NH3eq\o(=,\s\up7(催化劑、水),\s\do5(△))NH4SCN＋NH4HS，生成物中NH4HS的熱穩(wěn)定性較NH4SCN差。請(qǐng)回答下列問題：(1)裝置A的作用是_制備NH3__。(2)三頸燒瓶?jī)?nèi)盛放有CS2、H2O和催化劑，進(jìn)氣導(dǎo)管口必需插入下層CS2液體中，目的是_使反應(yīng)物充分接觸，防止發(fā)生倒吸__。該反應(yīng)比較緩慢，試驗(yàn)中可通過視察C中現(xiàn)象來限制A中NH3的生成速率，則X的化學(xué)式為_CS2__。(3)反應(yīng)一段時(shí)間后，關(guān)閉K1，保持三頸燒瓶?jī)?nèi)液體溫度105℃一段時(shí)間，其目的是_讓NH4HS完全分解而除去__；然后打開K2，接著保持液體溫度105℃，緩緩滴入適量的KOH溶液，制得較純凈的KSCN溶液，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為NH4SCN＋KOHKSCN＋NH3↑＋H2O。(4)裝置E汲取尾氣，防止污染環(huán)境，其中汲取NH3生成無色無味氣體的離子方程式為2NH3＋Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋8H＋=2Cr3＋＋N2↑＋7H2O。解析：(1)由分析可知裝置A應(yīng)當(dāng)是固體和液體不加熱制備氨的裝置，固體應(yīng)當(dāng)是堿石灰，恒壓滴液漏斗中的試劑是濃氨水。(2)氨極易溶于水、不溶于二硫化碳，可通過視察裝置C中氨逸出的氣泡來限制A中NH3的生成速率，則X為CS2。催化劑進(jìn)氣導(dǎo)管口必需插入下層CS2液體中，目的是使反應(yīng)物充分接觸，防止發(fā)生倒吸。(3)NH4HS的熱穩(wěn)定性較NH4SCN差，則反應(yīng)一段時(shí)間后，關(guān)閉K1，保持三頸燒瓶?jī)?nèi)液體溫度為105℃一段時(shí)間，其目的是讓NH4HS完全分解而除去；然后打開K2，接著保持液體溫度105℃，緩緩滴入適量的KOH溶液，制得較純凈的KSCN溶液，反應(yīng)的化學(xué)方程式為NH4SCN＋KOHKSCN＋NH3↑＋H2O。(4)裝置E中，氨氣被酸性重鉻酸鉀氧化為無色無味的氣體氮?dú)?，Cr2Oeq\o\al(2－,7)被還原為Cr3＋，反應(yīng)的離子方程式為2NH3＋Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋8H＋=2Cr3＋＋N2↑＋7H2O。12．(2024·濰坊高一檢測(cè))一位同學(xué)在復(fù)習(xí)時(shí)遇到這樣一道習(xí)題：某無色溶液中可能含有H＋、OH－、Na＋、NOeq\o\al(－,3)，加入鋁粉后，只產(chǎn)生H2，問該無色溶液中能大量存在哪幾種離子。已知：鋁與稀硝酸反應(yīng)時(shí)，主要生成氣體NO，NO在空氣中會(huì)進(jìn)一步氧化為紅棕色氣體NO2。(1)未起先試驗(yàn)前，_能__(選填“能”或“不能”)確定溶液的酸堿性；加入鋁粉產(chǎn)生H2，說明鋁具有_還原性__(填“氧化性”或“還原性”)。(2)該同學(xué)分析：若H＋大量存在，則NOeq\