鐵與稀硝酸反應進程中的四個不同階段

文章編號：1005－6629(2008)11－0081－01中圖分類號：G632.479文獻標識碼：B

［題目］鐵在熱的稀HNO3中反應，其主要還原產物為N2O，而在冷的稀HNO3中反應，其主要還原產物為NO，當HNO3更稀時，其主要還原產物是NH4+。現有鐵與稀HNO3的作用，請分析下圖，回答有關問題(假設曲線的各段內只有一種還原產物)。

(1)o點到a點的還原產物是_________；

(2)a點到b點的還原產物是_________，其原因是___________；

(3)試完成b點到c點反應的化學方程式：

□Fe+□HNO3=□Fe(NO3)3+□___+□H2O

(4)反應過程中，到達___點時HNO3已完全反應；

(5)已知達到d點時，反應恰好結束，此時溶液中的主要陽離子是_________；

(6)c點和d點參加反應的鐵的物質的量之比是_______。

［命題意圖］經核實本題由上海市第十中學周濟民老師原創，用于1995年原南市區高考化學模擬考測試卷中，旨在拓展學生知識面，讓學生知道鐵與稀硝酸反應時，受溫度和濃度的影響，其主要還原產物不同(若溫度較低時主要還原產物為N的+2價氧化物，溫度較高時為N的+1價氧化物，當濃度很小時則為-3價N)；以氧化還原反應中條件對反應的影響來考查學生分析理解圖像的能力。

［試題點評］

1.本題從能力立意出發，借助于鐵與稀硝酸反應的變化過程，較好地考查了學生的自學能力、識圖能力和運用已學知識解決具體化學問題的能力，也較好地反映出命題老師當年較強的前瞻性和創新精神。可以想見，十多年前此題的出現并逐漸流行開來乃至今日成為經典好題，對后來中學化學教學注重學生科學素質的培養有較好的引領作用。

2.本題涉及的是一個新情境中的動態反應過程，著力考查氧化還原反應原理，基于實際問題的復雜性，命題者采用了“抓大放小”策略進行了必要的簡化，較好地創設了問題情境，把試題難度降低到學生最近發展區，有利于開拓學生思路，便于激發學生學好化學的興趣。

3.本題既是一道信息遷移題，又是一道圖像題，并且以雙圖像形式呈現，對考生有較高的能力要求，是一道綜合性較強的試題。作為化學高考前沖刺訓練，對培養學生的思維品質和心理素質是有益的。

［解題思路］為將復雜問題簡單化，可將題給的圖像拆分為兩部分：一個為氫離子濃度c(H+)隨參加反應的鐵的物質的量n(Fe)的增多而減小；另一個為產生的氣體體積V(gas)隨n(Fe)而改變的情況。

從圖像中的c(H+)變化情況可以看出：c點時，溶液中c(H+)=0，表明HNO3已反應完全。從圖像中產生的氣體體積的變化情況看，o→a和a→b兩段內均有氣體放出，但兩直線的斜率大小不同(與化學方程式中的系數相對應)。

反應開始時(圖中o點到a點)體系中的溫度較低，鐵與稀硝酸反應主要還原產物為NO氣體；隨著反應的進行，積聚反應放出的熱，使體系溫度升高，可見a→b段放出的氣體是N2O；當反應到c點時稀硝酸濃度很小，無氣體放出，生成的氨與硝酸化合，反應的主要還原產物為NH4+；c點到d點是Fe3+，與單質鐵反應生成Fe2+。

具體反應如下

Fe+4HNO3(冷稀)=Fe(NO3)3+NO↑+2H2O

8Fe+30HNO3(熱稀)=8Fe(NO3)3+3N2O↑+15H2O

8Fe+30HNO3(極稀)=8Fe(NO3)3+3NH4NO3+9H2O

Fe+2Fe(NO3)3=3Fe(NO3)2

從最后一個反應可以看出：如果從c點到d點參加反應的鐵的物質的量為1mol，則o點到c點時參加反應的鐵的物質的量共為2mol，可方便地推算出c點和d點參加反應的鐵的物質的量之比是2∶3。

［參考答案］

(1)NO；(2)N2O，反應放熱，使溶液溫度升高；(3)8，30，8，3NH4NO3，9；(4)C；(5)Fe2+和NH4+；(6)2∶3

［拓展延伸］1.鐵與不同濃度的HNO3反應的還原產物很復雜，其分布曲線如圖：

從圖中可以看出，當其他條件一致時，例如溫度與還原劑，在濃硝酸(密度為1.40g·cm-3)中，主要產物NO2，隨著硝酸濃度逐漸降低，產物NO2逐漸減少而NO的相對含量逐漸增多；當密度為1.30g·mL-1時，主要產物是NO，其次是NO2及少量的N2O；當密度為1.15g·mL-1時，NO與HN4+的相對含量幾乎相等；當HNO3的濃度降到密度為1.05g·mL-1時，HN4+離子成為主要產物。

可見，凡有硝酸參加的氧化還原反應都比較復雜，往往同時生成多種還原產物；硝酸的濃度越大，其還原產物中氮元素化合價越高。

2.解信息遷移題的一般思維模式為：審題(獲取新知識、新信息、熟悉新情景)→分析(聯系已學知識，領會命題意圖)→歸納、整理(活化、重組知識)→遷移、應用、解題。

3.解圖像題析圖的關鍵在于對“數”、“形”、“義”、“性”的綜合思考，其重點是弄清“四點”(起點、交點、轉折點、終點)和各條線段的化學含義，分析曲線的走向，發現圖像隱含的條件，找出解題的突破口。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文