高中 化學 必修 第二冊 第五章 化工生產中的重要非金屬元素《專題突破(二) 硝酸與金屬反應的相關計算》教學設計

1．硝酸與金屬反應的計算方法(1)“原子守恒法”在解題中的應用HNO3與金屬反應時，一部分HNO3起酸的作用，以NOeq\o\al(－,3)的形式存在于溶液中，另一部分HNO3作為氧化劑轉化為還原產物，這兩部分HNO3中氮原子的總物質的量等于反應消耗的HNO3中氮原子的物質的量。n(HNO3)總＝x·n[M(NO3)x]＋n(NO2)＋n(NO)。(2)“電子守恒法”在解題中的應用HNO3與金屬的反應屬于氧化還原反應，HNO3中氮原子得到的電子的物質的量等于金屬失去的電子的物質的量，即金屬失電子的物質的量＝n(NO2)＋3n(NO)。(3)“電荷守恒法”在解題中的應用HNO3過量時，反應后溶液中（不考慮OH－）有：c（NOeq\o\al(－,3)）＝c(H＋)＋nc(Mn＋)（Mn＋代表金屬離子）。(4)“離子方程法”在解題中的應用金屬與H2SO4、HNO3的混合酸反應時，由于硝酸鹽中NOeq\o\al(－,3)在H2SO4提供H＋的條件下能繼續(xù)與金屬反應，因此此類題目應用離子方程式來計算，先作過量判斷，然后根據完全反應的金屬或H＋或NOeq\o\al(－,3)進行相關計算，且溶液中要符合電荷守恒。2．思維建模1．離子方程式法典例1.在100mL混合液中，HNO3和H2SO4的物質的量濃度分別是0.4mol·L-1和0.1mol·L-1，向該混合液中加入1.92g銅粉，加熱，待充分反應后，所得溶液中Cu2+的物質的量濃度是（忽略溶液體積的變化）()A．0.15mol·L-1 B．0.225mol·L-1C．0.35mol·L-1 D．0.45mol·L-1答案：B解析：解答本題要從離子反應的角度來考慮，HNO3電離出的H＋全部消耗完之后，H2SO4提供的H＋可以和NOeq\o\al(－,3)構成強氧化性環(huán)境，繼續(xù)氧化銅單質。HNO3、H2SO4混合液中H＋總的物質的量為0.06mol，NOeq\o\al(－,3)的物質的量為0.04mol，Cu的物質的量為0.03mol。Cu與稀硝酸發(fā)生反應：3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Cu2+＋2NO↑＋4H2O3820.03mol0.06mol0.04molH＋不足量，應根據H＋的物質的量來計算。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。2．原子守恒法典例2.足量的銅和含有2.4×10-3mol硝酸的某濃硝酸完全反應，共收集到標準狀況下氣體22.4mL。參加反應的銅的質量是()A．3.84×10-2g B．4.48×10-2gC．4.83×10-2g D．5.76×10-2g答案：B解析：第一步：計算被還原硝酸的物質的量。銅與濃硝酸可能發(fā)生的化學方程式：Cu＋4HNO3（濃）=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，3Cu＋8HNO3（?。?3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。無論參加反應比例多少，被還原的硝酸全部轉化為NO或NO2，根據氮原子守恒，則被還原硝酸的物質的量＝收集到的氣體的物質的量＝eq\f(22.4×10-3L,22.4L·mol-1)＝1×10-3mol。第二步：計算生成硝酸銅的物質的量。根據硝酸（或氮原子）守恒，參加反應的硝酸減去被還原的，就是轉化為鹽類的硝酸，因此生成硝酸銅的物質的量＝eq\f(2.4×10-3mol－1×10-3mol,2)＝7×10-4mol。第三步：計算銅的質量。根據銅原子守恒，參加反應的銅的物質的量與生成硝酸銅的物質的量相等，則參加反應的銅的質量＝7×10-4mol×64g·mol-1＝4.48×10-2g。3．電荷守恒法典例3.3.2gCu與過量硝酸(8mol·L-1，30mL)充分反應，硝酸的還原產物有NO2和NO，反應后溶液中所含H＋為amol，則此時溶液所含NOeq\o\al(－,3)為()A．amol B．(0.2＋a)molC．(0.1＋a)mol D．(0.38＋a)mol答案：C解析：反應后溶液中的溶質為Cu(NO3)2和HNO3，由于溶液呈電中性，由電荷守恒：n（NOeq\o\al(－,3)）＝n(H＋)＋2n(Cu2+)＝amol＋2×eq\f(3.2g,64g·mol-1)＝(a＋0.1)mol。4．電子守恒法典例4.5.12gCu和一定質量的稀硝酸反應，當Cu反應完全時，共收集到標準狀況下的氣體3.36L，若把裝有這些氣體的集氣瓶倒立在盛水的水槽中，需通入多少升標準狀況下的氧氣才能使集氣瓶充滿溶液？答案：0.896L解析：銅失去電子的物質的量＝被還原的硝酸得到電子的物質的量＝NO轉化為HNO3失去電子的物質的量＝消耗的氧氣得到的電子的物質的量，省去中間計算過程，即可簡化為銅失去電子的物質的量＝氧氣得電子的物質的量。則有：n(Cu)×2＝n(O2)×4，n(Cu)＝eq\f(5.12g,64g·mol-1)＝0.08mol，代入上式得：n(O2)＝0.04mol，V(O2)＝0.04mol×22.4L·mol-1＝0.896L。針對練1.一定質量的金屬銅，加入50mL10mol/L的濃硝酸充分反應后，銅完全溶解，共放出標準狀況下的氣體4.48L。(1)若氣體只有NO2，計算銅的質量。(2)若氣體為NO2和NO，且硝酸也恰好完全反應，計算銅的質量。答案：(1)6.4g(2)9.6g解析：(1)一定質量的金屬銅，加入50mL10mol/L的濃硝酸充分反應后，若氣體只有NO2，反應的方程式是Cu＋4HNO3（濃）=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，n(NO2)＝4.48L÷22.4L/mol＝0.2mol，則根據方程式可知反應消耗的銅的物質的量是0.1mol，則其質量是m(Cu)＝0.1mol×64g/mol＝6.4g；(2)若氣體為NO2和NO，且硝酸也恰好完全反應，則發(fā)生的反應有Cu＋4HNO3（濃）=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，3Cu＋8HNO3（?。?3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。假設反應產生的NO2、NO的物質的量分別是x、y；則根據反應方程式可知：2x＋4y＝10mol/L×0.05L，x＋y＝4.48L÷22.4L/mol，解得x＝0.15mol，y＝0.05mol，則根據方程式可知反應消耗的銅的物質的量是n(Cu)＝eq\f(1,2)n(NO2)＋eq\f(3,2)n(NO)＝eq\f(1,2)×0．15mol＋eq\f(3,2)×0.05mol＝0.15mol，n(Cu)＝0.15mol×64g/mol＝9.6g。針對練2.把3.86gCu-Zn合金粉末放入40mL2.0mol/L的稀硫酸中，完全反應產生氣體448mL（標準狀況）。試計算：（必須列出計算過程，計算結果保留1位小數）(1)合金中銅的質量分數。(2)再向上述溶液中滴加稀硝酸，要使金屬完全溶解，最少需要2.0mol/L的硝酸多少毫升？答案：(1)n(Zn)＝n(H2)＝eq\f(0.448L,22.4L/mol)＝0.02mol，m(Cu)＝3.86g－m(Zn)＝2.56g，eq\f(2.56g,3.86g)×100%≈66.3%。(2)n(Cu)＝eq\f(2.56g,64g/mol)＝0.04mol，因為溶液中有剩余的H＋，H＋過量，實際最少需要硝酸的物質的量按NOeq\o\al(－,3)物質的