《创新课堂》第五章 9 聚焦突破3 守恒法在硝酸与金属反应计算中的应用 讲义（教师版）化学必修二人教版

eq \o(\s\up8( INCLUDEPICTURE "聚焦突破3LLL.TIF" INCLUDEPICTURE "../../../../../徐/化学人教必修第二册/聚焦突破3LLL.TIF" \* MERGEFORMAT ),\s\do8(　　　　守恒法在硝酸与金属反应计算中的应用))
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，故n(HNO3)消耗＝n(NO2)＋n(NO)＋2n[Cu(NO3)2]。　
2．电子守恒法
(1)参加反应的Cu(Cu－2e－―→Cu2＋)失去电子，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，2n(Cu)＝n(NO2)＋3n(NO)。
(2)若将生成的氮氧化物与一定量的氧气共同通入水中，氮氧化物完全生成硝酸，由于开始时反应物为硝酸，中间生成了氮氧化物，但最终又变回了硝酸，所以相当于铜失去的电子最终由氧气得到，故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，则溶液中的阳离子有Cu2＋和H＋，阴离子只有NO。
(1)若HNO3不过量，则n(NO)＝2n(Cu2＋)。
(2)若HNO3过量，则n(NO)＝2n(Cu2＋)＋n(H＋)。　
4．离子方程式法：金属与硫酸、硝酸的混合酸反应时，由于硝酸盐中的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。
5．稀硝酸与铁反应的产物判断
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。　
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【突破集训】
1．现有稀硫酸和稀硝酸的混合溶液，已知其中稀硫酸的浓度为3 mol·L－1，稀硝酸的浓度为2 mol·L－1。取10 mL该混合溶液，向其中加入过量铁粉，反应结束后，在标准状况下可收集到的气体体积为(假设HNO3只被还原为NO)(　　)
A．0.244 L　　　　 B．0.896 L
C．0.672 L D．0.448 L
解析：选D。10 mL稀硫酸和稀硝酸的混合溶液中，n(H＋)＝0.01 L×3 mol·L－1×2＋0.01 L×2 mol·L－1＝0.08 mol，n(NO)＝0.01 L×2 mol·L－1＝0.02 mol，与过量铁粉反应的离子方程式为3Fe＋8H＋＋2NO===3Fe2＋＋2NO↑＋4H2O，所以H＋和NO恰好完全反应，产生NO的物质的量为0.02 mol，在标准状况下的体积为0.448 L。
2．14 g铜银合金与足量的硝酸反应，将放出的气体与标准状况下1.12 L O2混合后再通入水中，恰好全部被吸收。合金中铜的质量为(　　)
A．4.8 g B．3.2 g
C．6.4 g D．10.8 g
解析：选B。分析整个过程，金属失去的电子最终由氧气获得，标准状况下，n(O2)＝＝0.05 mol，设Cu、Ag的物质的量分别为x、y，根据质量列方程：x×64 g·mol－1＋y×108 g·mol－1＝14 g，根据得失电子守恒列方程：2x＋y＝0.05 mol×4＝0.2 mol，解得x＝0.05 mol，y＝0.1 mol，故m(Cu)＝0.05 mol×64 g·mol－1＝3.2 g。
3．a mol FeS与b mol FeO投入V L c mol/L的硝酸溶液中充分反应，产生NO气体，所得澄清溶液成分可看作是Fe(NO3)3、H2SO4的混合液，反应中未被还原的硝酸可能为(　　)
A．(a＋b)×63 g B．b×189 g
C．(a＋b) mol D．(cV－) mol
解析：选D。当硝酸恰好反应时，生成硝酸铁的硝酸就是未被还原的硝酸，由元素守恒知，未被还原的硝酸将转化为Fe(NO3)3中的NO，n[Fe(NO3)3]＝n(Fe)＝(a＋b) mol，未被还原的硝酸的物质的量为3(a＋b) mol，所以未被还原的硝酸的质量为3(a＋b) mol×63 g·mol－1＝(a＋b)×189 g；当硝酸过量时，除去生成一氧化氮的硝酸就是未被还原的硝酸，反应中Fe元素化合价由＋2价升高到＋3价，硫元素化合价由－2价升高到＋6价，氮元素化合价由＋5价降低到＋2价，根据得失电子守恒知，n(NO)＝ ＝ mol，即被还原的硝酸的物质的量为 mol，所以未被还原的硝酸的物质的量为(cV－) mol。
4．(2024·武汉高一检测)某稀溶液中含有4 mol KNO3 和2.5 mol H2SO4，向其中加入1.5 mol Fe，充分反应(已知NO被还原为NO)，最终溶液体积为1 L。下列说法正确的是(　　)
A．所得溶液中c(NO)＝2.75 mol·L－1
B．所得溶液中c(Fe2＋)∶c(Fe3＋)＝1∶2
C．反应后生成NO的体积为28 L
D．所得溶液中的溶质只有FeSO4
解析：选A。第一步反应：从比例关系来看，只有H＋ 完全反应。
Fe　＋　 4H＋＋NO ===　Fe3＋　＋NO↑＋2H2O
1 4 1 1 1
1.25 mol 5 mol　1.25 mol 1.25 mol　1.25 mol
铁粉剩余的物质的量为1.5 mol－1.25 mol＝0.25 mol，NO剩余的物质的量为4 mol－1.25 mol＝2.75 mol，生成Fe3＋的物质的量为1.25 mol，生成NO的物质的量为1.25 mol；
第二步反应：从比例关系来看，铁粉完全反应。
Fe　　＋　　2Fe3＋　===3Fe2＋
1 2 3
0.25 mol 0.5 mol 0.75 mol
Fe3＋剩余的物质的量为1.25 mol－0.5 mol＝0.75 mol，生成Fe2＋的物质的量为0.75 mol。根据以上分析可知，所得溶液中c(NO)＝＝2.75 mol·L－1，故A正确；根据以上分析可知，所得溶液中c(Fe2＋)∶c(Fe3＋)＝1∶1，故B错误；根据以上分析可知，反应后生成1.25 mol NO，选项中未提到气体所处状况，无法计算体积，故C错误；根据以上分析可知，反应所得溶液中阳离子为铁离子、亚铁离子和钾离子，阴离子为硫酸根离子和硝酸根离子，故D错误。
5．现有200 mL某稀硫酸和稀硝酸的混合溶液，平均分成两份。向其中一份中逐渐加入铜粉，最多能溶解9.6 g铜粉；向另一份中逐渐加入铁粉，产生气体的量随铁粉质量的变化关系如下图所示(假设硝酸的还原产物为NO气体)。下列分析或结果正确的是(　　)
A．OA段产生的是氢气
B．加入铁粉时，最终产生4.48 L气体(标准状况下)
C．原混合溶液中NO的物质的量为0.3 mol
D．原混合溶液中H2SO4的浓度为0.25 mol/L
解析：选B。A．由题图可知，OA段发生的反应为Fe＋NO＋4H＋===Fe3＋＋NO↑＋2H2O，产生NO，AB段发生的反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，BC段发生的反应为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，A错误；B．由A项分析可知，OA段消耗5.6 g铁，产生0.1 mol NO，BC段消耗铁的质量为14.0 g－8.4 g＝5.6 g，产生0.1 mol氢气，故产生气体的总物质的量为0.2 mol，在标准状况下的体积为4.48 L，B正确；C．根据A项分析可知，OA段反应中NO全部起氧化剂作用，所以每份混合酸中n(NO)＝n(Fe)＝＝0.1 mol，原混合酸中NO的物质的量为0.2 mol，C错误；D．由题图可知，加入14.0 g铁粉时，酸完全反应，此时溶液中溶质为FeSO4，反应消耗铁的物质的量为＝0.25 mol，根据原子守恒可知，n(H2SO4)＝n(FeSO4)＝n(Fe)＝0.25 mol，所以硫酸的浓度是＝2.5 mol/L，D错误。
6．已知Mg与稀硝酸反应，还原产物是N2O；若HNO3极稀，则还原产物为NH3，并与过量HNO3反应生成NH4NO3。现有9.6 g Mg与1 L 1.1 mol·L－1 HNO3溶液(过量)充分反应后收集到a mL气体(标准状况)，同时测得c(NH)＝0.08 mol·L－1(设反应前后溶液体积不变)。
(1)a＝________。
(2)有________mol HNO3被还原。
(3)反应后溶液中c(H＋)＝________mol·L－1。
(4)反应后溶液中c(NO)＝________mol·L－1。
解析：(1)由于HNO3过量，产生的气体为N2O，根据电子守恒有×2＝1 L×0.08 mol·L－1×8＋×4×2，解得a＝448。(2)被还原的HNO3包括两部分：一是用于生成N2O，二是用于生成NH，总物质的量为×2＋1 L×0.08 mol·L－1＝0.12 mol。(3)参加反应的HNO3的物质的量为×2＋1 L×0.08 mol·L－1×2＋×2＝1 mol，剩余HNO3的物质的量为1 L×1.1 mol·L－1－1 mol＝0.1 mol，c(H＋)＝＝0.1 mol·L－1。(4)反应后溶液中NO的物质的量等于HNO3的总物质的量减去被还原的HNO3的物质的量，即1 L×1.1 mol·L－1－0.08 mol·L－1×1 L－×2＝0.98 mol，所以反应后溶液中c(NO)＝＝0.98 mol·L－1。
答案：(1)448　(2)0.12　(3)0.1　(4)0.98