第五章　微专题二　硝酸与金属反应的相关计算 学案（含答案）

微专题二　硝酸与金属反应的相关计算
1．思维模型
2．计算方法(以Cu与硝酸反应为例)
(1)原子守恒法：反应前所有的N元素只存在于HNO3中，反应后含N元素的物质有HNO3的还原产物(假设有NO2、NO)和Cu(NO3)2，则有n(HNO3)消耗＝n(NO2)＋n(NO)＋2n[Cu(NO3)2]。
(2)得失电子守恒法：反应中失去电子的是参加反应的Cu，Cu－2e－―→Cu2＋；得到电子的是被还原的HNO3(假设还原产物为NO2、NO)，NO＋e－―→NO2、NO＋3e－―→NO。根据得失电子守恒，则有2n(Cu)＝n(NO2)＋3n(NO)。若将生成的氮的氧化物气体与一定量的氧气共同通入水中，氮的氧化物完全生成硝酸，由于开始反应物为硝酸，中间生成了氮的氧化物，但最终又变回了硝酸，所以相当于铜失的电子最终由氧气得到，则有2n(Cu)＝n(O2)。
(3)电荷守恒法：在Cu与HNO3反应后的溶液中，若HNO3不过量，阳离子只有Cu2＋，阴离子只有NO(此类计算不考虑H2O电离出的极少量的H＋、OH－)；若HNO3过量，溶液中的阳离子有Cu2＋和H＋，阴离子只有NO。则有①若HNO3不过量：n(NO)＝2n(Cu2＋)；②若HNO3过量：n(NO)＝2n(Cu2＋)＋n(H＋)。
(4)离子方程式计算法：金属与硫酸、硝酸的混合酸反应时，由于硝酸盐中NO在硫酸提供H＋的条件下能继续与金属反应，故此类题目应用离子方程式来计算3Cu＋8H＋＋2NO===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O。先作过量判断，然后根据完全反应的金属或H＋或NO进行相关计算，且要符合电荷守恒。
3．常见的两种计算
(1)硝酸与铜反应
浓硝酸与足量的铜反应，开始浓硝酸被还原为NO2，随着反应的进行，浓硝酸变稀，稀硝酸被还原为NO，向反应后的溶液中加稀硫酸，NO又被还原为NO。
(2)稀硝酸与铁反应
Fe(少量)＋4HNO3(稀)===Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O；
3Fe(过量)＋8HNO3(稀)===3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。
①≥4，产物为Fe(NO3)3；
②≤，产物为Fe(NO3)2；
③<<4，产物为Fe(NO3)3和Fe(NO3)2。
1．(2022·吉林省实验中学高一期中)a mol FeS与b mol FeO投入到V L c mol·L－1硝酸中充分反应，产生NO气体，所得澄清溶液成分可看作是Fe(NO3)3和H2SO4的混合液，则反应中未被还原的硝酸可能为(　　)
①(a＋b)×63 g　②(a＋b)×189 g　③(Vc－) mol　④(Vc－) mol
A．①④ B．②③
C．①③ D．②④
2．将14 g铜银合金与足量的硝酸反应，放出的气体与标准状况下体积为1.12 L的O2混合后再通入水中，恰好全部吸收，则合金中铜的质量为(　　)
A．4.8 g B．3.2 g
C．6.4 g D．10.8 g
3．(2022·长春实验中学高一检测)将3.84 g Cu和一定量的浓HNO3反应，当Cu反应完全时，共收集到气体2.24 L NO2和NO(标准状况，不考虑NO2转化为N2O4)，则反应中消耗HNO3的物质的量为(　　)
A．0.1 mol B．0.24 mol
C．0.16 mol D．0.22 mol
4．(2022·河南信阳高中高一检测)某稀硫酸和稀硝酸的混合溶液200 mL，平均分成两份。向其中一份中逐渐加入铜粉，最多能溶解19.2 g铜(已知硝酸只被还原为NO气体)。向另一份中逐渐加入铁粉，产生气体的量随铁粉质量增加的变化如图所示。下列分析或结果不正确的是(　　)
A．原混合酸中H2SO4物质的量为0.4 mol
B．AB段发生的离子反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋
C．混合酸中HNO3物质的量浓度为2 mol·L－1
D．第二份溶液中最终溶质为FeSO4
5．某100 mL混合液中，HNO3和H2SO4的物质的量浓度分别是0.4 mol·L－1和0.1 mol·L－1，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(忽略体积变化)为(　　)
A．0.15 mol·L－1 B．0.225 mol·L－1
C．0.35 mol·L－1 D．0.45 mol·L－1
6．将32.64 g铜与140 mL一定浓度的硝酸反应，铜完全溶解，产生标准状况下的一氧化氮和二氧化氮混合气体共11.2 L。请回答下列问题：
(1)产生一氧化氮的体积为______L(标准状况下)。
(2)待反应结束后，向溶液中加入V mL a mol·L－1氢氧化钠溶液，恰好使溶液中的Cu2＋全部转化为沉淀，则原硝酸的浓度为____________mol·L－1(不必化简)。
(3)欲使铜与硝酸反应生成的气体在氢氧化钠溶液中全部转化为硝酸钠，至少需要氧气________mol。
微专题二　硝酸与金属反应的相关计算
跟踪训练
1．D　[由Fe守恒可知，n[Fe(NO3)3]＝(a＋b) mol，则反应未被还原的硝酸的物质的量＝n(NO)＝3(a＋b) mol，其质量为(a＋b)×189 g；由S守恒可知，n(H2SO4)＝a mol，由电子转移守恒可知，被还原的硝酸的物质的量为 mol＝ mol，则反应中未被还原的硝酸为 (Vc－) mol。]
2．B
3．D　[铜与硝酸反应转化为Cu(NO3)2、NO和NO2，根据铜原子守恒n[Cu(NO3)2]＝n(Cu)＝＝0.06 mol，NO和NO2的物质的量共为n＝＝＝0.1 mol，根据氮原子守恒：n(HNO3)＝2n[Cu(NO3)2]＋n(NO)＋n(NO2)＝2×0.06 mol＋0.1 mol＝0.22 mol。]
4．A
5．B　[解答本题要从离子反应的角度来考虑，H2SO4提供的H＋可以和NO构成强氧化性环境，继续氧化铜单质。HNO3、H2SO4混合液中H＋总的物质的量为0.06 mol，NO的物质的量为0.04 mol，Cu的物质的量为0.03 mol。
Cu与稀硝酸发生反应：
3Cu＋　　8H＋＋　　2NO===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O
3　　　　8　　　　　2
0.03 mol　0.06 mol　　0.04 mol
H＋量不足，应根据H＋的物质的量来计算。
3Cu＋8H＋＋2NO===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O
8　　　　　　3
0.06 mol　　　n(Cu2＋)
n(Cu2＋)＝0.06 mol×＝0.022 5 mol，c(Cu2＋)＝＝0.225 mol·L－1。]
6．(1)5.824　(2)　(3)0.255
解析　(1)该过程发生两个反应：3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O。设生成的NO和NO2的物质的量分别为x、y，则x＋y＝0.5 mol,1.5x＋0.5y＝0.51 mol，解得x＝0.26 mol，y＝0.24 mol，故标准状况下V(NO)＝0.26 mol×22.4 L·mol－1＝5.824 L。
(2)在反应过程中，HNO3一部分表现酸性，另一部分表现氧化性。由溶液中的Cu2＋恰好全部转化为沉淀，则表现酸性的HNO3的物质的量为n(HNO3)＝n(NaOH)，表现氧化性的HNO3的物质量为n(HNO3)＝n(NO)＋n(NO2)，故原硝酸中HNO3的物质的量n(HNO3)＝n(NaOH)＋n(NO)＋n(NO2)＝(aV×10－3＋0.5)mol，则c(HNO3)＝ mol·L－1。
(3)通入氧气的目的是将0.26 mol NO和0.24 mol NO2全部转化为HNO3。根据得失电子守恒：4n(O2)＝3n(NO)＋n(NO2)＝3×0.26 mol＋0.24 mol＝1.02 mol，则n(O2)＝0.255 mol。