高中化學(xué)必修1：微專題九　硝酸與金屬反應(yīng)的相關(guān)計(jì)算

高中化學(xué)必修課程PAGEPAGE1[思維模型](1)硝酸與銅反應(yīng)濃硝酸與足量的銅反應(yīng)，開始濃硝酸被還原為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(nHNO3,nFe)≥4，產(chǎn)物為Fe(NO3)3；②eq\f(nHNO3,nFe)≤eq\f(8,3)，產(chǎn)物為Fe(NO3)2；③eq\f(8,3)<eq\f(nHNO3,nFe)<4，產(chǎn)物為Fe(NO3)3和Fe(NO3)2。[計(jì)算方法](1)原子守恒法：HNO3與金屬反應(yīng)時(shí)，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(zhuǎn)化為還原產(chǎn)物NOx，NOeq\o\al(－,3)和NOx中氮原子的總物質(zhì)的量等于反應(yīng)消耗的HNO3中氮原子的物質(zhì)的量。(2)得失電子守恒法：HNO3與金屬的反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)，HNO3中氮原子得到電子的物質(zhì)的量等于金屬失去電子的物質(zhì)的量。(3)電荷守恒法：HNO3過量時(shí)，反應(yīng)后溶液中(不考慮OH－)有c(NOeq\o\al(－,3))＝c(H＋)＋xc(Mx＋)(Mx＋代表金屬離子)。(4)離子方程式計(jì)算法：金屬與H2SO4、HNO3的混合酸反應(yīng)時(shí)，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(yīng)，故此類題目應(yīng)用離子方程式來計(jì)算。先作過量判斷，然后根據(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。參加反應(yīng)的銅的質(zhì)量是()A.38.4×10－3g B.44.8×10－3gC.48.3×10－3g D.57.6×10－3g[答案]B[解析]銅與濃硝酸可能發(fā)生的化學(xué)方程式：Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O,3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。被還原硝酸的物質(zhì)的量＝eq\f(22.4×10－3L,22.4L·mol－1)＝1×10－3mol，生成硝酸銅的物質(zhì)的量＝eq\f(2.4×10－3mol－1×10－3mol,2)＝7×10－4mol，參加反應(yīng)的銅的質(zhì)量＝7×10－4mol×64g·mol－1＝44.8×10－3g。2.將19.5g鋅粉與一定量的濃硝酸反應(yīng)生成硝酸鹽、水及氣體，當(dāng)鋅粉完全反應(yīng)時(shí)收集到11.2LNO、NO2混合氣(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，則所消耗硝酸的物質(zhì)的量是()A.1.2mol B.1.1molC.0.9mol D.0.8mol[答案]B[解析]鋅和濃硝酸反應(yīng)生成NO2，而與稀硝酸反應(yīng)時(shí)則生成NO，n(NO2)＋n(NO)＝eq\f(11.2L,22.4L·mol－1)＝0.5mol，即被還原的硝酸的物質(zhì)的量為0.5mol，n(Zn)＝eq\f(19.5g,65g·mol－1)＝0.3mol，則生成的n[Zn(NO3)2]＝0.3mol，可知表現(xiàn)酸性的硝酸的物質(zhì)的量為0.3mol×2＝0.6mol，則參加反應(yīng)的硝酸的物質(zhì)的量為0.5mol＋0.6mol＝1.1mol。3.(2018·遼寧本溪高級(jí)中學(xué)期中)某金屬單質(zhì)與一定濃度的硝酸反應(yīng)，假定只有一種還原產(chǎn)物，當(dāng)參加反應(yīng)的金屬與被還原的硝酸的物質(zhì)的量之比為2∶1時(shí)，還原產(chǎn)物可能是()A.NO2 B.NOC.N2O D.N2[答案]C[解析]設(shè)反應(yīng)后金屬元素的化合價(jià)為n，HNO3的還原產(chǎn)物中氮的化合價(jià)為x，則由得失電子守恒得：2×(n－0)＝1×(5－x)，即x＝5－2n。討論：①當(dāng)n＝＋1時(shí)，x＝＋3，HNO3的還原產(chǎn)物為N2O3；②當(dāng)n＝＋2時(shí)，x＝＋1，HNO3的還原產(chǎn)物為N2O；③當(dāng)n＝＋3時(shí)，x＝－1，不合理，舍去。由于金屬離子一般不出現(xiàn)＋4以及以上的價(jià)態(tài)，故不再討論。4.(2019·長春九校聯(lián)考)足量銅與一定量濃硝酸反應(yīng)，得到硝酸銅溶液和NO2、NO的混合氣體，這些氣體與1.68LO2(標(biāo)準(zhǔn)狀況)混合后通入水中，所有氣體完全被水吸收生成硝酸。若向所得硝酸銅溶液中逐滴加入60mLNaOH溶液至Cu2＋恰好完全沉淀，則NaOH溶液的物質(zhì)的量濃度是()A.3mol·L－1 B.4mol·L－1C.5mol·L－1 D.6mol·L－1[答案]C[解析]縱觀整個(gè)過程，由電子轉(zhuǎn)移守恒，可知Cu提供電子等于氧氣獲得的電子，即Cu提供的電子的物質(zhì)的量為：eq\f(1.68L,22.4L·mol－1)×4＝0.3mol，向所得硝酸銅溶液中加入NaOH溶液至Cu2＋恰好完全沉淀，沉淀為Cu(OH)2，由電荷守恒可知，Cu提供電子的物質(zhì)的量等于氫氧化銅中氫氧根的物質(zhì)的量，故n(NaOH)＝0.3mol，故NaOH溶液的物質(zhì)的量濃度為eq\f(0.3mol,0.06L)＝5mol·L－1，故選C。5.一定量的銅與一定濃度的硝酸反應(yīng)，生成的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為2.24L(不考慮NO2與N2O4的轉(zhuǎn)化)，則反應(yīng)消耗銅和硝酸的物質(zhì)的量分別為()A.n(Cu)＝0.05moln(HNO3)＝0.2molB.n(Cu)＝0.15moln(HNO3)＝0.4molC.0.05mol<n(Cu)<0.15mol0.2mol<n(HNO3)<0.4molD.0.05mol≤n(Cu)≤0.15mol0.2mol≤n(HNO3)≤0.4mol[答案]D[解析]設(shè)反應(yīng)消耗Cu的物質(zhì)的量為x，HNO3的物質(zhì)的量為y。(1)若為稀硝酸，則有3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O3mol8mol44.8Lxy2.24L解得x＝0.15mol，y＝0.4mol。(2)若為足量的濃硝酸，則有Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O1mol4mol44.8Lxy2.24L解得x＝0.05mol，y＝0.2mol。(3)若為濃硝酸且量不足，則反應(yīng)按上述兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)開始階段按(2)進(jìn)行，之后按(1)進(jìn)行，反應(yīng)生成的氣體為NO2和NO的混合氣體。消耗的Cu和HNO3的物質(zhì)的量介于前兩種情況之間，即反應(yīng)消耗的Cu的物質(zhì)的量在0.05mol至0.15mol之間，消耗的HNO3的物質(zhì)的量在0.2mol至0.4mol之間。6.有一稀硫酸和稀硝酸的混合酸，其中H2SO4和HNO3的物質(zhì)的量濃度分別是4mol·L－1和2mol·L－1，取10mL此混合酸，向其中加入過量的鐵粉，待反應(yīng)結(jié)束后，可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體的體積為(設(shè)反應(yīng)中的HNO3被還原為NO)()A.0.448L B.0.672LC.0.896L D.0.224L[答案]B[解析]根據(jù)題意可知，10mL混酸中含有n(H＋)＝4mol·L－1×2×0.01L＋2mol·L－1×0.01L＝0.1mol，n(NOeq\o\al(－,3))＝2mol·L－1×0.01L＝0.02mol，因?yàn)殍F過量，鐵先和稀硝酸發(fā)生反應(yīng)：3Fe＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Fe2＋＋2NO↑＋4H2O0.08mol0.02mol0.02mol則反應(yīng)后剩余n(H＋)＝0.1mol－0.08mol＝0.02mol，過量的鐵繼續(xù)與H＋反應(yīng)：Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑0.02mol0.01mol所以反應(yīng)產(chǎn)生氣體的總物質(zhì)的量為n(NO)＋n(H2)＝0.02mol＋0.01mol＝0.03mol，標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體體積為0.03mol×22.4L·mol－1＝0.672L。7.(2019·長沙調(diào)研)足量銅與一定量的濃硝酸反應(yīng)，得到硝酸銅溶液和NO2、NO的混合氣體2.24L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，這些氣體與一定體積O2(標(biāo)準(zhǔn)狀況)混合后通入水中，所有氣體完全被水吸收生成硝酸。若向所得硝酸銅溶液中加入50mL4mol·L－1NaOH溶液，則Cu2＋恰好完全沉淀。下列說法正確的是()A.此反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移的電子為0.3molB.混合氣體中含NO21.12LC.參加反應(yīng)的HNO3是0.4molD.消耗氧氣的體積為1.68L[答案]B[解析]由銅原子守恒可知：n(Cu)＝0.1mol，轉(zhuǎn)移電子0.2mol，A項(xiàng)錯(cuò)誤；設(shè)生成的NO的物質(zhì)的量為x，NO2的物質(zhì)的量為y；eq\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(x＋y＝0.1mol,3x＋y＝0.2mol,得失電子守恒))?eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(x＝0.05mol,y＝0.05mol))，則V(NO2)＝1.12L，B項(xiàng)正確；由N原子守恒：參加反應(yīng)的HNO3的物質(zhì)的量n(HNO3)＝n(NO)＋n(NO2)＋2×n[Cu(NO3)2]＝0.3mol，C項(xiàng)錯(cuò)誤；由得失電子守恒，可知O2得到的電子與銅失去的電子一定相等，則n(O2)＝eq\f(nCu,2)＝0.05mol，V(O2)＝1.12L，D項(xiàng)錯(cuò)誤。8.(2019·武漢高一檢測)如圖表示Cu與HNO3反應(yīng)的量的關(guān)系，A、B、C、D四點(diǎn)中表示銅與稀硝酸反應(yīng)中被還原的HNO3與Cu的量的關(guān)系的點(diǎn)是()[答案]A[解析]Cu與稀硝酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，由化學(xué)方程式可知參加反應(yīng)的HNO3只有eq\f(1,4)被還原，故被還原的HNO3與Cu的關(guān)系為3Cu～2HNO3(被還原)。9.將128g銅置于一定量的濃硝酸中并微熱。當(dāng)銅片完全消失時(shí)，共收集到NO2和NO的混合氣體44.8L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。(1)寫出上述過程中有關(guān)反應(yīng)的離子方程式：________________________________________________________________________________________________________________、________________________________________________________________________。(2)完成該反應(yīng)至少需要量取10mol·L－1的濃硝酸________mL。(3)混合氣體中NO2的體積為__________L，NO的體積為________L(均為標(biāo)準(zhǔn)狀況下)。(4)將收集上述氣體的容器倒扣在盛有水的水槽中，并向其中緩慢通入O2使其充分反應(yīng)，若要使溶液恰好充滿容器，則理論上需要參加反應(yīng)的O2的物質(zhì)的量為________mol。[答案](1)Cu＋4H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=Cu2＋＋2NO2↑＋2H2O3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O(2)600(3)22.422.4(4)1[解析](1)首先是濃硝酸與銅發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生硝酸銅、二氧化氮和水，然后當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)，硝酸變稀后，稀硝酸與銅發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生硝酸銅、一氧化氮和水，反應(yīng)的離子方程式是Cu＋4H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=Cu2＋＋2NO2↑＋2H2O；3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O。－1＝2mol，未被還原的硝酸生成Cu(NO3)2，其物質(zhì)的量為128g÷64g·mol－1＝2mol，由氮原子守恒可知，n(HNO3)＝2n[Cu(NO3)2]＋n(NO、NO2)＝2mol×2＋2mol＝6mol，故至少需要硝酸的體積為6mol÷10mol·L－1＝0.6L＝600mL。(3)設(shè)混合氣體中NO2、NO的物質(zhì)的量分別為xmol、ymol，根據(jù)得失電子守恒及二者體積列方程式計(jì)算，再根據(jù)V＝n·Vm計(jì)算各自的體積；根據(jù)得失電子守恒及二者體積，可得：eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(x＋3y＝2×2,x＋y＝2))，解得x＝1，y＝1，故二氧化氮的體積為1mol×22.4L·mol－1＝22.4L，NO的體積為1mol×22.4L·mol－1＝22.4L。(4)反應(yīng)又生成HNO3，分析整個(gè)過程可知，銅提供的電子等于氧氣獲得的電子，由得失電子守恒可知，需要氧氣的物質(zhì)的量為(2mol×2)÷4＝1mol。10.(2018·江蘇省南菁高中期末)為了測定某銅銀合金的組成，將30.0g合金溶于80.0mL13.5mol·L－1的濃HNO3中。待合金完全溶解后，收集到氣體6.72