Question

5．將鐵粉和銅粉的均勻混合物，平均分為四等分，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表如表（設硝酸的還原產物只有NO）

編號	①	②	③	④
稀硝酸體積/ml	100mL	200mL	300mL	400mL
剩余金屬/g	18.0g	9.6g	0	0
NO體積/L	2.24L	4.48L	6.7L	V

試計算：
（1）硝酸的濃度．
（2）每份金屬混合物的總質量．
（3）實驗④中V的值．

Answer 1

分析 由表中數據可知，實驗①②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18g-9.6g=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NO的體積結合方程式計算硝酸的物質的量、參加反應Fe的物質的量，
根據c=$\frac{n}{V}$計算硝酸的物質的量濃度，根據m=nM計算①中參加反應Fe的質量；
在實驗②的基礎上加入100mL硝酸，參加反應的金屬的質量為9.6g，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=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，Cu的質量=0.15mol×64g/mol=9.6g，等于參加反應金屬的質量，
故該過程只有Cu反應，且Cu恰好完全反應，
故加入200mL硝酸時，Fe恰好反應生成硝酸亞鐵，在實驗③的基礎上再加入100mL硝酸，為硝酸與溶液中亞鐵離子反應生成NO，
根據亞鐵離子的物質的量，利用電子轉移守恒計算該階段生成NO的物質的量，再根據V=nV_m計算該階段生成NO的體積，進而計算V的值；
每份金屬混合物為①中溶解的Fe與實驗①剩余的金屬的質量之和．

解答 解：由表中數據可知，實驗①②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18g-9.6g=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；
在實驗②的基礎上加入100mL硝酸，參加反應的金屬的質量為9.6g，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=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，Cu的質量=0.15mol×64g/mol=9.6g，等于參加反應金屬的質量，
故該過程只有Cu反應，且Cu恰好完全反應，
故加入200mL硝酸時，Fe恰好反應生成硝酸亞鐵，在實驗③的基礎上再加入100mL硝酸，為硝酸與溶液中亞鐵離子反應生成NO，
（1）由上述分析可知，實驗①發生反應3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，生成NO的物質的量為：$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，
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為：$\frac{0.4mol}{0.1L}$=4mol/L，
答：硝酸的濃度為4mol/L；
（2）由上述分析可知，實驗①發生反應3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，生成NO的物質的量為0.1mol，
根據方程式可知，參加反應的Fe的物質的量為0.1mol×$\frac{3}{2}$=0.15mol，
故參加反應Fe的質量=0.15mol×56g/mol=8.4g，即①中溶解了8.4gFe，
故每份溶液中含有金屬的質量為：8.4g+18g=26.4g，
答：每份金屬混合物的質量為26.4g；
（3）由上述分析可知，實驗②中Fe與硝酸恰好反應生成硝酸亞鐵，生成NO的物質的量=$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，
由3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O可知，溶液中亞鐵離子的物質的量為0.3mol，在實驗③的基礎上再加入100mL硝酸，為硝酸與溶液中亞鐵離子反應生成NO，
根據電子轉移守恒可知，生成NO的物質的量=$\frac{0.3mol×（3-2）}{5-2}$=0.1mol，
故生成NO的體積為：0.1mol×22.4L/mol=2.24L=2240mL，
故V=6720+2240=8960，
答：實驗④中V的值為8960．

點評 本題考查混合物的有關計算、化學方程式的計算，題目難度較大，根據表中數據判斷各階段發生的反應是關鍵，側重對學生綜合能力的考查，過程復雜、計算量較大，試題充分考查了學生的分析能力及化學計算能力．