Question

【題目】文獻記載，鐵粉在稀硝酸中會放出氫氣。某同學進行如下驗證和對比實驗。

實驗I. 室溫下 （20℃）， 在恒壓密閉容器內放入過量鐵粉和 2.0 mL 0.5 mol·L–1 HNO3，立即有氣體生成。充分反應后，所得溶液幾乎無色，收集到無色氣體 6.0 mL。將該氣體通入有空氣的試管，無明顯變化。點燃氣體，有尖銳爆鳴聲，試管壁出現液滴。取反應后溶液，加入足量 NaOH 溶液得到灰綠色沉淀。煮沸時，蒸氣略有刺激性氣味并能使濕潤紅色石蕊試紙變藍。

（1）氣體產物為氫氣的證據是______________________ 。

（2）根據實驗現象， 寫出鐵粉與 0.5 mol·L–1 硝酸反應時還原反應的半反應方程式。① 2H+ + 2e– = H2↑； ②_____________ 。

（3）該同學對產生氫氣的原因提出假設：

假設 1：該濃度的硝酸中 H+的氧化性大于NO3-；

假設 2： H+的還原速率大于NO3-的還原速率；

I. 驗證假設 1：用____（Cu或Mg）粉與_____ 硝酸反應，說明假設1不成立。實驗證據是______________________ 。

II. 驗證假設 2： 改變條件重復實驗 I，結果如下（氣體成分和溶液成分檢驗的現象與實驗 I 相似）。

序號	金屬狀態	反應溫度	實驗現象
a	鐵粉	40℃	溶液略帶黃色，氣體 3.4 mL。
b	鐵粉	60℃	黃色溶液，氣體 2.6 mL。

①根據實驗現象，你認為假設2是否成立？簡述理由。__________________________

②試分析溫度對鐵粉與硝酸反應生成氫氣體積的影響。__________________________

（4）改用 3 mol·L–1 HNO3與過量鐵粉反應， 有無色氣體生成， 溶液變為深棕色。氣體接觸空氣顯紅棕色，不可燃。 根據以上結論解釋生成還原產物的原因__________________________

（5）綜上所述，金屬與硝酸生成氫氣，需要控制哪些條件？__________________________________

Answer 1

【答案】 無色氣體遇空氣無明顯變化。點燃氣體，有尖銳爆鳴聲，試管壁出現液滴 NO3-+ 10H+ 8e— = NH4 + 3H2O Cu 0.5mol·L-1 溶液變藍， 同時沒有氫氣放出 不成立，實驗現象沒有說明兩個反應哪個更快，即使 H的還原速率不大于NO3-的還原速率 也能得到氫氣 很顯然隨著溫度升高兩個還原速率都在增大，但是，得到的氫氣體積卻在減少，所以說，NO3-的還原速率增大的更多 硝酸濃度增大，產物變為NO，還原速度劇增，遠遠大于 H的還原速率，以至于得不到氫氣 降低硝酸濃度，低溫

【解析】試題分析：（1）NO與空氣反應生成紅棕色NO2，不純的氫氣點燃，有尖銳爆鳴聲，試管壁出現水；（2）向溶液中加入氫氧化鈉煮沸時，蒸氣略有刺激性氣味并能使濕潤紅色石蕊試紙變藍，說明有氨氣放出，硝酸被鐵還原為NH4；（3）I.金屬Mg能置換出酸中的氫，銅不能置換出酸中的氫；要驗證“該濃度的硝酸中 H+的氧化性大于NO3-”，需要控制硝酸的濃度相同；II. ①實驗現象沒有說明兩個反應哪個更快，即使 H的還原速率不大于NO3-的還原速率 也能得到氫氣；②隨著溫度升高兩個還原速率都在增大，但是，得到的氫氣體積卻在減少，所以說，NO3-的還原速率增大的更多；（4）硝酸濃度增大，產物變為NO，NO3-還原速度劇增；（5）硝酸濃度越小、溫度越低越易生成氫氣；

解析：（1）氣體產物為氫氣的證據是：無色氣體遇空氣無明顯變化；點燃氣體，有尖銳爆鳴聲，試管壁出現液滴；（2）向溶液中加入氫氧化鈉煮沸時，蒸氣略有刺激性氣味并能使濕潤紅色石蕊試紙變藍，說明有氨氣放出，硝酸被鐵還原為NH4，反應離子方程式是NO3-+ 10H+ 8e— = NH4 + 3H2O；（3）I.金屬Mg能置換出酸中的氫，銅不能置換出酸中的氫；要驗證“該濃度的硝酸中 H+的氧化性大于NO3-”，需要控制硝酸的濃度相同；所以用Cu粉與0.5mol·L-1硝酸反應，溶液變藍，沒有氫氣放出，說明假設1不成立。II. 實驗現象沒有說明兩個反應哪個更快，即使 H的還原速率不大于NO3-的還原速率 也能得到氫氣，所以根據實驗現象，假設2不成立；②隨著溫度升高兩個還原速率都在增大，但是得到的氫氣體積卻在減少，所以說，升高溫度NO3-的還原速率增大的更多；（4）硝酸濃度增大，產物變為NO，還原速度劇增，遠遠大于 H的還原速率，以至于得不到氫氣；（5）金屬與硝酸生成氫氣，需要降低硝酸濃度，低溫。