高中化学必修1：微专题九　硝酸与金属反应的相关计算

高中化学必修课程PAGEPAGE1[思维模型](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，NOeq\o\al(－,3)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。①eq\f(nHNO3,nFe)≥4，产物为Fe(NO3)3；②eq\f(nHNO3,nFe)≤eq\f(8,3)，产物为Fe(NO3)2；③eq\f(8,3)<eq\f(nHNO3,nFe)<4，产物为Fe(NO3)3和Fe(NO3)2。[计算方法](1)原子守恒法：HNO3与金属反应时，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作为氧化剂转化为还原产物NOx，NOeq\o\al(－,3)和NOx中氮原子的总物质的量等于反应消耗的HNO3中氮原子的物质的量。(2)得失电子守恒法：HNO3与金属的反应属于氧化还原反应，HNO3中氮原子得到电子的物质的量等于金属失去电子的物质的量。(3)电荷守恒法：HNO3过量时，反应后溶液中(不考虑OH－)有c(NOeq\o\al(－,3))＝c(H＋)＋xc(Mx＋)(Mx＋代表金属离子)。(4)离子方程式计算法：金属与H2SO4、HNO3的混合酸反应时，由于硝酸盐中NOeq\o\al(－,3)在H2SO4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。先作过量判断，然后根据完全反应的金属或H＋或NOeq\o\al(－,3)进行相关计算，且要符合电荷守恒。参加反应的铜的质量是()A.38.4×10－3g B.44.8×10－3gC.48.3×10－3g D.57.6×10－3g[答案]B[解析]铜与浓硝酸可能发生的化学方程式：Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O,3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。被还原硝酸的物质的量＝eq\f(22.4×10－3L,22.4L·mol－1)＝1×10－3mol，生成硝酸铜的物质的量＝eq\f(2.4×10－3mol－1×10－3mol,2)＝7×10－4mol，参加反应的铜的质量＝7×10－4mol×64g·mol－1＝44.8×10－3g。2.将19.5g锌粉与一定量的浓硝酸反应生成硝酸盐、水及气体，当锌粉完全反应时收集到11.2LNO、NO2混合气(标准状况下)，则所消耗硝酸的物质的量是()A.1.2mol B.1.1molC.0.9mol D.0.8mol[答案]B[解析]锌和浓硝酸反应生成NO2，而与稀硝酸反应时则生成NO，n(NO2)＋n(NO)＝eq\f(11.2L,22.4L·mol－1)＝0.5mol，即被还原的硝酸的物质的量为0.5mol，n(Zn)＝eq\f(19.5g,65g·mol－1)＝0.3mol，则生成的n[Zn(NO3)2]＝0.3mol，可知表现酸性的硝酸的物质的量为0.3mol×2＝0.6mol，则参加反应的硝酸的物质的量为0.5mol＋0.6mol＝1.1mol。3.(2018·辽宁本溪高级中学期中)某金属单质与一定浓度的硝酸反应，假定只有一种还原产物，当参加反应的金属与被还原的硝酸的物质的量之比为2∶1时，还原产物可能是()A.NO2 B.NOC.N2O D.N2[答案]C[解析]设反应后金属元素的化合价为n，HNO3的还原产物中氮的化合价为x，则由得失电子守恒得：2×(n－0)＝1×(5－x)，即x＝5－2n。讨论：①当n＝＋1时，x＝＋3，HNO3的还原产物为N2O3；②当n＝＋2时，x＝＋1，HNO3的还原产物为N2O；③当n＝＋3时，x＝－1，不合理，舍去。由于金属离子一般不出现＋4以及以上的价态，故不再讨论。4.(2019·长春九校联考)足量铜与一定量浓硝酸反应，得到硝酸铜溶液和NO2、NO的混合气体，这些气体与1.68LO2(标准状况)混合后通入水中，所有气体完全被水吸收生成硝酸。若向所得硝酸铜溶液中逐滴加入60mLNaOH溶液至Cu2＋恰好完全沉淀，则NaOH溶液的物质的量浓度是()A.3mol·L－1 B.4mol·L－1C.5mol·L－1 D.6mol·L－1[答案]C[解析]纵观整个过程，由电子转移守恒，可知Cu提供电子等于氧气获得的电子，即Cu提供的电子的物质的量为：eq\f(1.68L,22.4L·mol－1)×4＝0.3mol，向所得硝酸铜溶液中加入NaOH溶液至Cu2＋恰好完全沉淀，沉淀为Cu(OH)2，由电荷守恒可知，Cu提供电子的物质的量等于氢氧化铜中氢氧根的物质的量，故n(NaOH)＝0.3mol，故NaOH溶液的物质的量浓度为eq\f(0.3mol,0.06L)＝5mol·L－1，故选C。5.一定量的铜与一定浓度的硝酸反应，生成的气体在标准状况下的体积为2.24L(不考虑NO2与N2O4的转化)，则反应消耗铜和硝酸的物质的量分别为()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]设反应消耗Cu的物质的量为x，HNO3的物质的量为y。(1)若为稀硝酸，则有3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O3mol8mol44.8Lxy2.24L解得x＝0.15mol，y＝0.4mol。(2)若为足量的浓硝酸，则有Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O1mol4mol44.8Lxy2.24L解得x＝0.05mol，y＝0.2mol。(3)若为浓硝酸且量不足，则反应按上述两个反应进行，反应开始阶段按(2)进行，之后按(1)进行，反应生成的气体为NO2和NO的混合气体。消耗的Cu和HNO3的物质的量介于前两种情况之间，即反应消耗的Cu的物质的量在0.05mol至0.15mol之间，消耗的HNO3的物质的量在0.2mol至0.4mol之间。6.有一稀硫酸和稀硝酸的混合酸，其中H2SO4和HNO3的物质的量浓度分别是4mol·L－1和2mol·L－1，取10mL此混合酸，向其中加入过量的铁粉，待反应结束后，可产生标准状况下的气体的体积为(设反应中的HNO3被还原为NO)()A.0.448L B.0.672LC.0.896L D.0.224L[答案]B[解析]根据题意可知，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，因为铁过量，铁先和稀硝酸发生反应：3Fe＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Fe2＋＋2NO↑＋4H2O0.08mol0.02mol0.02mol则反应后剩余n(H＋)＝0.1mol－0.08mol＝0.02mol，过量的铁继续与H＋反应：Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑0.02mol0.01mol所以反应产生气体的总物质的量为n(NO)＋n(H2)＝0.02mol＋0.01mol＝0.03mol，标准状况下的气体体积为0.03mol×22.4L·mol－1＝0.672L。7.(2019·长沙调研)足量铜与一定量的浓硝酸反应，得到硝酸铜溶液和NO2、NO的混合气体2.24L(标准状况)，这些气体与一定体积O2(标准状况)混合后通入水中，所有气体完全被水吸收生成硝酸。若向所得硝酸铜溶液中加入50mL4mol·L－1NaOH溶液，则Cu2＋恰好完全沉淀。下列说法正确的是()A.此反应过程中转移的电子为0.3molB.混合气体中含NO21.12LC.参加反应的HNO3是0.4molD.消耗氧气的体积为1.68L[答案]B[解析]由铜原子守恒可知：n(Cu)＝0.1mol，转移电子0.2mol，A项错误；设生成的NO的物质的量为x，NO2的物质的量为y；eq\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(x＋y＝0.1mol,3x＋y＝0.2mol,得失电子守恒))⇒eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(x＝0.05mol,y＝0.05mol))，则V(NO2)＝1.12L，B项正确；由N原子守恒：参加反应的HNO3的物质的量n(HNO3)＝n(NO)＋n(NO2)＋2×n[Cu(NO3)2]＝0.3mol，C项错误；由得失电子守恒，可知O2得到的电子与铜失去的电子一定相等，则n(O2)＝eq\f(nCu,2)＝0.05mol，V(O2)＝1.12L，D项错误。8.(2019·武汉高一检测)如图表示Cu与HNO3反应的量的关系，A、B、C、D四点中表示铜与稀硝酸反应中被还原的HNO3与Cu的量的关系的点是()[答案]A[解析]Cu与稀硝酸反应的化学方程式为3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，由化学方程式可知参加反应的HNO3只有eq\f(1,4)被还原，故被还原的HNO3与Cu的关系为3Cu～2HNO3(被还原)。9.将128g铜置于一定量的浓硝酸中并微热。当铜片完全消失时，共收集到NO2和NO的混合气体44.8L(标准状况)。(1)写出上述过程中有关反应的离子方程式：________________________________________________________________________________________________________________、________________________________________________________________________。(2)完成该反应至少需要量取10mol·L－1的浓硝酸________mL。(3)混合气体中NO2的体积为__________L，NO的体积为________L(均为标准状况下)。(4)将收集上述气体的容器倒扣在盛有水的水槽中，并向其中缓慢通入O2使其充分反应，若要使溶液恰好充满容器，则理论上需要参加反应的O2的物质的量为________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)首先是浓硝酸与铜发生反应产生硝酸铜、二氧化氮和水，然后当反应进行到一定程度时，硝酸变稀后，稀硝酸与铜发生反应产生硝酸铜、一氧化氮和水，反应的离子方程式是Cu＋4H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=Cu2＋＋2NO2↑＋2H2O；3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O。－1＝2mol，未被还原的硝酸生成Cu(NO3)2，其物质的量为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，故至少需要硝酸的体积为6mol÷10mol·L－1＝0.6L＝600mL。(3)设混合气体中NO2、NO的物质的量分别为xmol、ymol，根据得失电子守恒及二者体积列方程式计算，再根据V＝n·Vm计算各自的体积；根据得失电子守恒及二者体积，可得：eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(x＋3y＝2×2,x＋y＝2))，解得x＝1，y＝1，故二氧化氮的体积为1mol×22.4L·mol－1＝22.4L，NO的体积为1mol×22.4L·mol－1＝22.4L。(4)反应又生成HNO3，分析整个过程可知，铜提供的电子等于氧气获得的电子，由得失电子守恒可知，需要氧气的物质的量为(2mol×2)÷4＝1mol。10.(2018·江苏省南菁高中期末)为了测定某铜银合金的组成，将30.0g合金溶于80.0mL13.5mol·L－1的浓HNO3中。待合金完全溶解后，收集到气体6.72