守恒法在硝酸與金屬的氧化還原反應中的應用

劉 娟

(江蘇省射陽中學,江蘇 鹽城 224300)

守恒法是利用化學反應前后某些量的等量關系,如原子守恒、電子守恒、電荷守恒等構建方程式,進而分析得到正確答案的一種解題方法.守恒法作為高中化學計算過程中的重要解題方法,也是高考中常考的基礎知識點,尤其常見于金屬與酸的氧化還原反應中.基于此,本文以常見的銅與硝酸反應為例,討論守恒法在金屬與硝酸的氧化還原反應中的實際應用[1].

1 解題思路

1.1 原子守恒法

反應前所有的N只存在于HNO3中,反應后含N的物質包括HNO3的還原產物(假設有NO2、NO)和Cu(NO3)2,若HNO3過量,則過量HNO3中也含有N,則有

n(N)=n(NO2)+n(NO)+2n[Cu(NO3)2]+n(HNO3)(N原子守恒)

1.2 電子守恒法

1.3 電荷守恒法

1.4 離子方程式計算法

2 實例分析

例題1 將Fe粉與Cu粉的混合物均分四等份,各自添加相同濃度的HNO3,等到充分反應之后,在標準狀況下生成的NO的體積與剩余金屬的質量見表1(假定硝酸的還原產物僅有NO).

表1 標準狀況下生成的NO的體積與剩余金屬的質量

則下列選項中錯誤的是( ).

A. ①中溶解了8.4 g Fe

B. 原混合物總質量為105.6 g

C.硝酸的濃度為4 mol/L

D.④中V=6 720 mL

解析A選項:①②有金屬剩余,①②反應結束溶液中鐵元素以Fe2+的形式存在,②在①的基礎上反應,又加入100 mL的硝酸,消耗金屬的質量為18 g-9.6 g=8.4 g,產生的氣體體積為4480 mL-2240 mL=2240 mL,即n(NO)=0.1 mol,根據3M+8HNO3(稀)=3M(NO3)2+2NO↑+4H2O,此時消耗金屬的物質的量為3×0.1 mol÷2=0.15 mol,M的摩爾質量為8.4 g÷0.15 mol=56 g/mol,①②之間消耗的鐵,即①消耗的是鐵,A不符合題意;

B選項:根據A的分析,消耗100 mL的硝酸,消耗8.4 g的Fe,因此一份合金的質量為18 g+8.4 g=26.4 g,即原混合物總質量為4×26.4 g=105.6 g,B不符合題意;

C選項:根據A的分析,100 mL溶液中含硝酸物質的量為8×0.1 mol÷2=0.4 mol,則硝酸的濃度為0.4 mol÷0.1L=4 mol/L,C不符合題意;

例題2在工業領域,由含銅廢料(包括Cu、CuS、CuSO4等)制得硝酸銅晶體的步驟如圖1所示.

圖1 制備硝酸銅的流程

(1)“焙燒”在600℃時進行,寫出CuS轉化為CuO與SO4的化學式:____.

(2)寫出“酸化”時反應的離子方程式____.

(3)“淘洗”所用的溶液可以是____(填字母).

A.稀硫酸 B.濃硫酸

C.稀硝酸 D.濃硝酸

(4)“反應”這一環節選擇的試劑為20% HNO3與10% H2O2,反應環節不會出現紅棕色氣體,該反應的化學方程式為: ____.

(5)根據圖2分析從“反應”所得溶液中析出Cu(NO3)2·3H2O的方法為____.

圖2 硝酸銅晶體的溶解度

分析在工業領域,由含銅廢料(帶有Cu、CuS、CuSO4等)制備硝酸銅晶體,廢料進入空氣焙燒后銅制得氧化銅,硫化銅轉換成CuO與SO2,添加硫酸酸化形成硫酸銅,添加過量的鐵發生置換反應產生銅,通過過濾后產生濾渣鐵與銅,經過冷水淘洗后添加20% HNO3與10% H2O2發生反應,蒸發濃縮,降溫到略超過26.4℃出現結晶現象,由“反應”所得溶液中產生Cu(NO3)2·3H2O.

解析(1)CuS焙燒和氧氣反應轉化為CuO和SO2,反應的化學方程式為:

故答案為:

(2)廢料進入空氣焙燒后銅產生氧化銅,硫化銅轉換成成CuO和SO2,加入硫酸酸化生成硫酸銅,反應化學方程式為:

離子方程式為:

故答案為:

(3)淘洗添加的酸應不具備強氧化性,不然就會使銅不斷溶解.

A．稀硫酸,無法與銅反應,所以選擇A;

B．濃硫酸與銅常溫條件下不會發生任何反應,但遇到水溶解釋放很多熱,濃硫酸將與銅發生反應,所以不選B;

C．稀硝酸具備氧化性,會使銅發生氧化反應,所以不選C;

D．濃硝酸能與銅進行反應,所以不選D.

因此最終答案是:A

(4)“反應”這一步驟選擇的試劑為20% HNO3與10% H2O2,硝酸作酸性條件,過氧化氫作為氧化劑,氧化銅生成硝酸銅,反應的化學方程式是:

所以,最終答案是:

(5)由圖像中結晶水合物的溶解度隨著溫度變化曲線能夠發現,溫度超過26.4℃由“反應”所得溶液里產生Cu(NO3)2·3H2O,所得溶液里產生的Cu(NO3)2·3H2O方法為:蒸發濃縮,降溫到略超過26.4℃出現結晶現象,所以答案是:蒸發濃縮,降溫到略超過26.4℃時出現結晶現象[3].

總的來說,金屬與硝酸的氧化還原反應作為高中化學中的常考題型,學生一定要靈活把握題目中的關鍵信息,抓住反應過程中的始態和終態,巧借守恒法構建等量關系,從而找到解題突破口.