Question

16．將鐵粉和銅粉的均勻混合物，平均分成三等份，分別加入同濃度的稀硝酸，充分反應，在標準狀況下生成NO的體積和剩余金屬的質量如下表（設硝酸的還原產物只有NO）

編號	①	②	③
稀硝酸體積/mL	100	200	300
剩余金屬/g	30.4	22	12.8
NO體積/mL	2240	4480	6720

由上述數據推測：
（1）硝酸的物質的量濃度；
（2）③中溶解金屬的成分是什么？其相應的質量為多少克？

Answer 1

分析 （1）由表中數據可知，實驗中都有金屬剩余，則溶液中不可能含有硝酸鐵，溶液中金屬離子為+2價，在實驗①的基礎上加入100mL硝酸，參加反應的金屬的質量為30.4g-22g=8.4g，生成NO的體積為4480mL-2240mL=2240mL，NO物質的量為0.1mol，根據電子轉移守恒可知，參加反應金屬的物質的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，參加反應金屬的平均摩爾質量為$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，故該過程只有Fe參加反應，故實驗①只有Fe參與反應，根據方程式計算硝酸的物質的量，根據c=$\frac{n}{V}$計算硝酸的物質的量濃度；
（2）在實驗②的基礎上加入100mL硝酸，參加反應的金屬的質量為9.2g，生成NO的體積為6720mL-4480mL=2240mL，NO物質的量為0.1mol，若該過程只有Cu參加反應，根據電子轉移守恒，則Cu的物質的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，Cu的質量=0.15mol×64g/mol=9.6g＞9.2g，故該過程中Fe、Cu反應，則③中溶解的金屬為Fe、Cu．
根據（1）分析計算實驗①中溶解Fe的質量，進而計算實驗③溶解金屬質量，再結合轉移電子守恒列方程計算③中溶解Fe、Cu物質的量，進而計算參加反應Fe、Cu的質量．

解答 解：（1）由表中數據可知，實驗中都有金屬剩余，則溶液中不可能含有硝酸鐵，溶液中金屬離子為+2價，在實驗①的基礎上加入100mL硝酸，參加反應的金屬的質量為30.4g-22g=8.4g，生成NO的體積為4480mL-2240mL=2240mL，NO物質的量為$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，根據電子轉移守恒可知，參加反應金屬的物質的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，參加反應金屬的平均摩爾質量為$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，故該過程只有Fe參加反應，故實驗①只有Fe參與反應，發生反應3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，根據方程式可知，參加反應的硝酸的物質的量為0.1mol×4=0.4mol，故硝酸的物質的量濃度=$\frac{0.4mol}{0.1L}$=4mol/L，
答：硝酸的物質的量濃度為4mol/L；
（2）在實驗②的基礎上加入100mL硝酸，參加反應的金屬的質量為9.2g，生成NO的體積為6720mL-4480mL=2240mL，NO物質的量為0.1mol，若該過程只有Cu參加反應，根據電子轉移守恒，則Cu的物質的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，Cu的質量=0.15mol×64g/mol=9.6g＞9.2g，故該過程中Fe、Cu反應，則③中溶解的金屬為Fe、Cu；
根據（1）分析計可知，實驗①中溶解Fe的質量為8.4g，則實驗③溶解金屬質量為30.4g+8.4g-12.8g=26g，③中生成NO為$\frac{6.72L}{22.4L．mol}$=0.3mol，
設參加反應Fe、Cu的物質的量分別為xmol、ymol，則：
$\left\{\begin{array}{l}{56x+64y=26}\\{2x+2y=0.3×3}\end{array}\right.$
解得x=0.35，y=0.1
故參加反應Fe的質量為0.35mol×56g/mol=19.6g
參加反應Cu的質量為0.1mol×64g/mol=6.4g，
答：③中溶解金屬為Fe、Cu，它們的質量分別為19.6g、6.4g．

點評 本題考查混合物的有關計算，根據表中數據判斷各階段發生的反應是解題關鍵，側重對學生綜合能力的考查，本題過程復雜、計算量較大，為易錯題目，難度較大．