Question

38.4 mg銅跟適量濃硝酸反應，銅全部作用后，共收集到氣體22.4 mL(標準狀況)，反應消耗HNO₃的物質的量可能是

A.1.00×10^－3 mol                                            B.1.60×10^－3 mol

C.2.20×10^－3 mol                                             D.2.40×10^－3 mol

(忽視NO₂與N₂O₄的相互轉化)

Answer 1

C

解析:

隨著反應的進行，硝酸的濃度逐漸變小，產生的氣體可能是純凈的NO₂，也可能是NO₂和NO的混合物。

n(Cu)=38.4 mg÷64.0 g·mol^－1=0.600 mmol

n(g)=22.4 mL÷22.4 L·mol^－1=1.00 mmol

這樣，發生的反應可能是下列①一個，也可能是①②兩個：

①Cu＋4HNO₃(濃)====Cu(NO₃)₂＋2NO₂↑＋2H₂O

②3Cu＋8HNO₃(稀)====3Cu(NO₃)₂＋2NO↑＋4H₂O

于是，本題有以下多種解法。

方法1(極值法)：若產生的氣體全部是NO₂，由化學方程式①得：

n(HNO₃)=4n(Cu)=0.600 mmol×4=2.40 mmol

n(NO₂)=2n(Cu)=0.600 mmol×2=1.20 mmol

V(NO₂)=1.20 mmol×22.4 L·mol^－1=26.9 mL＞22.4 mL

可見，氣體不全是NO₂。

若產生的氣體全部是NO，由化學方程式②得：

n(HNO₃)=8/3n(Cu)=0.600 mmol×8/3=1.60 mmol

n(NO)=2/3n(Cu)=0.600 mmol×2/3=0.400 mmol

V(NO₂)=0.400 mmol×22.4 L·mol^－1=8.96 mL＜22.4 mL

由于氣體是NO₂和NO的混合物，8.96 mL＜V(g)＜26.9 mL，

所以1.60 mmol＜n(HNO₃)＜2.40 mmol，

觀察備選項可知答案。

方法2(守恒法)：根據反應前后N原子守恒和Cu原子守恒得：

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

      =n(Cu)×2＋n(NO₂)＋n (NO)                            (Cu原子守恒)

      =0.600 mmol×2＋1.00 mmol

              =2.20 mmol

方法3(寫總反應方程式法)：設生成NO₂的物質的量為x，則題設條件下的總反應為：

0.6Cu＋2.2HNO₃====0.6Cu(NO₃)₂＋xNO₂↑＋(1－x)NO↑＋1.1H₂O

先寫出反應物和生成物以及Cu、NO₂和NO的化學計量數，再根據Cu原子守恒和N原子守恒得出Cu(NO₃)₂和HNO₃的化學計量數，H₂O的化學計量數可根據N原子守恒而得出(因與結果無關也可不算出)。

根據方程式及有效數字的運算規則，可知參加反應的HNO₃物質的量為2.20 mmol。

方法4(平均分子式法)：設HNO₃還原產物的平均分子式為NO_x，則：

n(Cu)∶n(NO_x)=0.600 mmol∶1.00 mmol=3∶5

Cu與HNO₃的總反應方程式為：

3Cu＋11HNO₃====3Cu(NO₃)₂＋5NO_x↑＋？H₂O

先寫出反應物和生成物及Cu和NO_x的化學計量數3和5，再根據Cu原子守恒和N原子守恒分別得出Cu(NO₃)₂和HNO₃的化學計量數3和11，H₂O的化學計量數因與結果無關可不算出，則：

n(HNO₃)=11/3n(Cu)=0.600 mmol×11/3=2.20 mmol