Question

19．為了測定某碳素鋼（假設只含鐵和碳）的含碳量，將10.000g鋼樣完全溶解于過量的熱濃硝酸中，產生了0.300mol的氣體（假設氣體全部逸出，N₂O₄已折算為NO₂）．氣體用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液完全吸收后，只生成兩種鹽，溶液蒸干后得到不含結晶水的固體32.664g．計算：
（1）鋼樣的含碳量；
（2）參加反應的硝酸的物質的量．

Answer 1

分析 （1）若鐵與濃硝酸反應生成的完全為二氧化氮，根據反應C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O可知，當C為0時生成氣體的量最少，則10g鐵完全反應生成二氧化氮的物質的量為：$\frac{10g}{56g/mol}$×3≈0.536mol＞0.300mol，所以鐵與硝酸反應生成的氣體為NO、NO₂的混合物；再根據氣體用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液（氫氧化鈉遠遠過量）完全吸收后，只生成兩種鹽可知，生成的鹽為碳酸鈉和亞硝酸鈉，說明生成的NO、NO₂的物質的量相等，設NO、NO₂的物質的量都為x，該碳素鋼中含有C為y，
根據反應C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0可知，ymolC與濃硝酸反應生成ymol二氧化碳、4ymol二氧化氮，
鐵與濃硝酸反應生成的二氧化氮為：x-4y，根據反應Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，該鋼中含有鐵的物質的量為：$\frac{3}{2}$x+$\frac{1}{3}$（x-4y），根據該鋼的質量可得：①[x+$\frac{1}{3}$（x-4y）]×56+12y=10.00，再根據氣體的總物質的量可得：②y+2x=0.3，聯立①②計算出x、y，再計算出該鋼樣的含碳量；
（2）根據（1）計算結果及反應C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O計算出反應中消耗硝酸的總物質的量．

解答 解：（1）若鐵與濃硝酸反應生成的完全為二氧化氮，根據反應C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O可知，當C為0時生成氣體的量最少，則10g鐵完全反應生成二氧化氮的物質的量為：$\frac{10g}{56g/mol}$×3≈0.536mol＞0.300mol，所以鐵與硝酸反應生成的氣體為NO、NO₂的混合物；再根據氣體用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液（氫氧化鈉遠遠過量）完全吸收后，只生成兩種鹽可知，生成的鹽為碳酸鈉和亞硝酸鈉，說明生成的NO、NO₂的物質的量相等，設NO、NO₂的物質的量都為x，該碳素鋼中含有C為y，
根據反應C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0可知，ymolC與濃硝酸反應生成ymol二氧化碳、4ymol二氧化氮，
鐵與濃硝酸反應生成的二氧化氮為：x-4y，根據反應Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，該鋼中含有鐵的物質的量為：$\frac{3}{2}$x+$\frac{1}{3}$（x-4y），根據該鋼的質量可得：①[x+$\frac{1}{3}$（x-4y）]×56+12y=10.00，
根據氣體的總物質的量可得：②y+2x=0.3，
聯立①②解得：x=0.144mol、y=0.012mol，
即：該鋼中含有0.012molC，其含碳量為：$\frac{12g/mol×0.012mol}{10.00g}$×100%=1.44%，
答：該鋼樣的含碳量為1.44%；
（2）0.012molC消耗硝酸的物質的量為：0.012mol×4=0.048mol，
生成0.144molNO消耗硝酸的物質的量為：0.144mol×4=0.576mol，
鐵與濃硝酸反應生成二氧化氮的物質的量為：0.144mol-0.012mol×4=0.096mol，反應生成0.096mol二氧化氮消耗硝酸的物質的量為：0.096mol×$\frac{6}{3}$=0.192mol，
所以反應中消耗硝酸的總物質的量為：0.048mol+0.576mol+0.192mol=0.816mol，
答：參加反應的硝酸的物質的量為0.816mol．

點評 本題考查了混合物反應的計算，題目難度較大，根據生成氣體的量及生成兩種鹽判斷反應氣體組成及生成固體的組成為解答關鍵，注意明確一氧化氮、二氧化氮與氫氧化鈉溶液的反應原理，試題側重考查學生的分析、理解能力．