借助守恒關(guān)系 巧解金屬與硝酸反應(yīng)的計算

朱雅瓊

(安徽省靈璧中學(xué),安徽 宿州 234200)

化學(xué)計算是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點,也是難點之一,而在教材中沒有專門的章節(jié)進(jìn)行教學(xué),其分布于元素及其化合物的學(xué)習(xí)中.特別是結(jié)合真實情境中的應(yīng)用把握金屬主要的性質(zhì)、氮及其化合物的主要性質(zhì),探索物質(zhì)性質(zhì)、實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化[1].由于金屬與硝酸的反應(yīng)有很多的特點,所以本文通過歸納常見的金屬與硝酸反應(yīng)的類型,結(jié)合典型例題,以點帶面,提升學(xué)生的綜合計算的能力.

1 金屬與硝酸反應(yīng)的特點

(1)金屬種類具有多樣性.硝酸是一種氧化性強(qiáng)酸,是工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛的一種強(qiáng)酸,也是實驗室中最為常見的酸,能與除金、鉑以外的絕大數(shù)金屬發(fā)生反應(yīng).

(2)金屬元素存在的多種化合價.由于過渡金屬存在多種化合價,特別是最為常見的金屬鐵,就有+2、+3兩種常見的化合價,而硝酸是一種強(qiáng)氧化性酸,硝酸用量的不同可以得到Fe(NO3)2、Fe(NO3)3兩種氧化產(chǎn)物,故隨著參加反應(yīng)的硝酸用量不同可能會得到不同價態(tài)的氧化產(chǎn)物.

(4)計算過程的復(fù)雜性.金屬與硝酸反應(yīng)的計算題目中往往很少只是單純進(jìn)行的是金屬與硝酸的反應(yīng),隨著金屬與硝酸反應(yīng)之后,還涉及到往反應(yīng)后的溶液中加入NaOH溶液使金屬離子沉淀的計算;硝酸還原產(chǎn)物為NO、NO2(甚至還有N2O4)與氧氣反應(yīng)的計算等.

綜上所述,在進(jìn)行金屬與硝酸反應(yīng)的計算中如果根據(jù)化學(xué)方程式進(jìn)行計算,往往會無從下手,難以進(jìn)行有效的計算.因此可以將電子守恒、電荷守恒、物料守恒通過相應(yīng)組合,等量代換,找出已知量與未知量的關(guān)系,從而簡化解題步驟,準(zhǔn)確快速地將題解出.

2 計算依據(jù)

電子守恒:在氧化還原反應(yīng)中,氧化劑得電子總數(shù)與還原劑失電子總數(shù)是相等的.電子守恒是氧化還原反應(yīng)計算的基礎(chǔ),由于金屬與硝酸的反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng),所以電子守恒關(guān)系在金屬與硝酸反應(yīng)的計算中具有十分重要的意義.

電荷守恒:又稱電中性原理,指在溶液中陽離子所帶正電荷總數(shù)等于陰離子所帶負(fù)電荷總數(shù),使整個溶液不顯電性.借助電荷守恒,可以找出溶液中各離子濃度之間的關(guān)系.同時,經(jīng)常利用加入NaOH溶液將金屬陽離子沉淀出來,由于一個OH-帶一個單位負(fù)電荷,由等量代換,完全沉淀金屬陽離子所需OH-的物質(zhì)的量就等于金屬陽離子所帶正電荷總數(shù),也等于金屬失電子總數(shù);

物料守恒:又稱原子守恒,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,化學(xué)反應(yīng)前后各元素原子的種類、個數(shù)和質(zhì)量均保持不變,故金屬與硝酸參加反應(yīng)以后,硝酸中的氮原子共有三個可能存在:一是體現(xiàn)酸性參與成鹽;二是體現(xiàn)氧化性被還原,存在于還原產(chǎn)物(主要為NO、NO2)中;三是硝酸過量,存在于反應(yīng)后的溶液中,可以根據(jù)反應(yīng)后溶液的pH進(jìn)行計算[2].

3 計算模式

(設(shè)有1 mol金屬M參加反應(yīng),金屬的化合價為+n價.)

計算主線:

根據(jù)電子守恒:n(e-)=n(NO)·3+n(NO2)·1

根據(jù)物料守恒:n(HNO3)(總)=n(HNO3)(成鹽)+n(HNO3)(被還原)+n(HNO3)(過量)

若對反應(yīng)后的產(chǎn)物進(jìn)行再處理,還可以有以下的幾種情況:

(1)對反應(yīng)后的溶液中加入NaOH溶液,使金屬離子恰好沉淀完全,則反應(yīng)前金屬的質(zhì)量與反應(yīng)后沉淀的質(zhì)量之間存在如圖1所示關(guān)系.

圖1 質(zhì)量關(guān)系圖

結(jié)合電荷守恒與質(zhì)量守恒,增加的質(zhì)量即為OH-的質(zhì)量,而OH-的物質(zhì)的量則等于金屬單質(zhì)失去電子的物質(zhì)的量.

(2)當(dāng)金屬離子恰好沉淀完全時,溶液中只有NaNO3,根據(jù)電荷守恒和物料守恒,則有

n(NaOH)=n(HNO3)(總)-n(HNO3)(被還原)

(3)對于反應(yīng)的還原產(chǎn)物(NO、NO2、N2O4等混合氣體),通入O2并與水反應(yīng)使其全部轉(zhuǎn)化為HNO3,具體關(guān)系如圖2所示.

圖2 反應(yīng)前后物質(zhì)關(guān)系圖

4 典型例題

例1將11.2 g的銅鎂的混合物完全溶解于足量的硝酸中,收集產(chǎn)生的氣體混合物,再向所得溶液中加入適量的NaOH溶液,產(chǎn)生21.4 g沉淀,根據(jù)題意推斷氣體混合物的可能組成是( ).

A.0.3 mol NO2和0.3 mol NO

B.0.2 mol NO2和0.1 mol N2O4

C.0.1 mol NO、0.2 mol NO2和0.05 mol N2O4

D.0.6 mol NO

例2足量的銅與一定量濃硝酸恰好完全反應(yīng),得到硝酸銅溶液和NO2、N2O4、NO的混合氣體,將這些氣體與1.68 L O2(STP)混合后通入水中,所有氣體完全被水吸收生成硝酸.若向所得硝酸銅溶液中加5.0 mol·L-1NaOH溶液至Cu2+恰好沉淀完全,則消耗NaOH溶液的體積是( ).

A.60 mL B.45 mL C.30 mL D.15 mL

例3將1.20 g鐵銅合金完全溶于100 mL 12.0 mol·L-1濃硝酸中,得到NO2和N2O4混合氣體672 mL(已換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積).向反應(yīng)后的溶液中加入1.0 mol·L-1NaOH溶液,當(dāng)金屬離子全部沉淀時,得到2.05 g沉淀,下列有關(guān)判斷正確的是( ).

A.反應(yīng)過程中濃硝酸僅體現(xiàn)氧化性

B.該合金中鐵與銅的物質(zhì)的量之比為2∶1

D.金屬離子全部沉淀時,加入NaOH溶液的體積至少為1 150 mL.