Question

14．鐵粉和銅粉的均勻混合物，平均分成四等份，分別加入同濃度的稀硝酸，充分反應(yīng)，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下生成NO的體積和剩余金屬的質(zhì)量如下表（設(shè)硝酸的還原產(chǎn)物只有NO）：

編號(hào)	①	②	③	④
稀硝酸體積/mL	100	200	300	400
剩余金屬/g	12.2	3.2	0	0
NO體積/mL	2240	4480	6720	V

則：
（1）硝酸的濃度為多大？
（2）每份金屬的質(zhì)量為多少？
（3）編號(hào)④中最多產(chǎn)生的氣體積V為多少升？（該問答案取整數(shù)）

Answer 1

分析 由表中數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)①②都有金屬剩余，則溶液中不可能含有硝酸鐵，溶液中金屬離子為+2價(jià)，在實(shí)驗(yàn)①的基礎(chǔ)上加入100mL硝酸，參加反應(yīng)的金屬的質(zhì)量為12.2g-3.2g=9g，
生成NO的體積為4480mL-2240mL=2240mL，NO物質(zhì)的量為0.1mol，
根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，參加反應(yīng)金屬的物質(zhì)的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，
參加反應(yīng)金屬的平均摩爾質(zhì)量為$\frac{9.0g}{0.15mol}$=60g/mol，
故該過程既有Fe參加反應(yīng)，又有銅參與反應(yīng)，但反應(yīng)后鐵和銅均變?yōu)?2價(jià)．
根據(jù)NO的體積結(jié)合方程式計(jì)算硝酸的物質(zhì)的量，
根據(jù)c=$\frac{n}{V}$計(jì)算硝酸的物質(zhì)的量濃度；
在實(shí)驗(yàn)②的基礎(chǔ)上加入100mL硝酸，參加反應(yīng)的金屬的質(zhì)量為3.2g，生成NO的體積為6720mL-4480mL=2240mL，NO物質(zhì)的量為0.1mol，
由于在①中鐵已反應(yīng)完，故該過程金屬只有Cu參加反應(yīng)，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，
則Cu的物質(zhì)的量=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，Cu的質(zhì)量=0.15mol×64g/mol=9.6g，大于參加反應(yīng)金屬的質(zhì)量，故該過程除了Cu反應(yīng)，還有生成的Fe²⁺反應(yīng)．據(jù)此分析．

解答 解：（1）由表中數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)①②都有金屬剩余，則溶液中不可能含有硝酸鐵，溶液中金屬離子為+2價(jià)，在實(shí)驗(yàn)①的基礎(chǔ)上加入100mL硝酸，參加反應(yīng)的金屬的質(zhì)量為12.2g-3.2g=9g，
生成NO的體積為4480mL-2240mL=2240mL，NO物質(zhì)的量為0.1mol，
根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，參加反應(yīng)金屬的物質(zhì)的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，
參加反應(yīng)金屬的平均摩爾質(zhì)量為$\frac{9.0g}{0.15mol}$=60g/mol，
故該過程既有Fe參加反應(yīng)，又有銅參與反應(yīng)，但反應(yīng)后鐵和銅均變?yōu)?2價(jià)．
故在100mL硝酸溶液中，做酸的硝酸的物質(zhì)的量為n=0.15mol×2=0.3mol，而做氧化劑被還原的硝酸的物質(zhì)的量為0.1mol，故在100mL硝酸溶液中，含有的硝酸的物質(zhì)的量為0.4mol，則物質(zhì)的量濃度c=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.4mol}{0.1L}$=4mol/L．
答：硝酸的濃度為4mol/L；
（2）由于當(dāng)加入200mL硝酸溶液時(shí)，參加反應(yīng)的有鐵和銅，故和前100mL硝酸反應(yīng)的只有鐵，且反應(yīng)后變?yōu)?2價(jià)，而生成NO的體積為4480mL-2240mL=2240mL，NO物質(zhì)的量為0.1mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，參加反應(yīng)鐵的物質(zhì)的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，質(zhì)量m=0.15mol×56g/mol=8.4g，故每份金屬的質(zhì)量為8.4g+12.2g=20.6g，答：每份金屬的質(zhì)量為20.6g；
（3）設(shè)20.6g混合物中含鐵的物質(zhì)的量為xmol，含銅的物質(zhì)的量為ymol，根據(jù)質(zhì)量有：56x+64y=20.6①
然后根據(jù)在加入200mL硝酸即0.8mol硝酸時(shí)，剩余的3.2g為銅，放出了0.2molNO氣體，此時(shí)溶液中鐵和銅元素均為+2價(jià)，故根據(jù)硝酸的守恒可知：2x+2（y-$\frac{3.2g}{64g/mol}$）+0.2=0.4L×4mol/L②
解①②可得：x=0.225mol
y=0.125mol．
由于在硝酸為300mL時(shí)，溶液中的Fe²⁺即開始被氧化為Fe²⁺．當(dāng)Fe²⁺完全被氧化為Fe³⁺時(shí)，做酸的硝酸的物質(zhì)的量為n=0.225mol×3+0.125mol×2=0.925mol，而根據(jù)得失電子數(shù)守恒可知，生成的NO的物質(zhì)的量n=$\frac{0.225mol×3+0.125mol×2}{3}$=0.308mol，故共需硝酸的物質(zhì)的量n=0.925mol+0.308mol=1.233mol，小于400mL硝酸溶液中的硝酸的物質(zhì)的量1.6mol，故當(dāng)加入400mL硝酸時(shí)，F(xiàn)e²⁺完全被氧化為Fe³⁺，生成NO的物質(zhì)的量為0.308mol，則在標(biāo)況下的體積為6906mL．
答：生成氣體的最大體積為6906mL．

點(diǎn)評(píng) 本題考查混合物的有關(guān)計(jì)算，根據(jù)表中數(shù)據(jù)判斷各階段發(fā)生的反應(yīng)是關(guān)鍵，側(cè)重對(duì)學(xué)生綜合能力的考查，過程復(fù)雜、計(jì)算量較大，為易錯(cuò)題目，難度較大．