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17.现有铁和铜组成的合金共a mol,其中Cu的物质的量分数为x,研成粉末状后全部投入含bmol HNO3的稀溶液中,使其充分反应,且HNO3的还原产物只有NO.试回答下列问题:
(1)随HNO3用量的增加,溶液中的金属离子和残留固体的成分依次有六种情况,请用粒子符号填写下列表1空白:
溶液中的金属离子Fe2+Fe2+、Cu2+Cu2+、Fe3+
残留固体成分Fe、CuCu
(2)若残留固体只有铜时,则溶液中可能存在的金属离子为(填粒子符号)Fe2+或Fe2+、Cu2+
若合金全部溶解,则溶液中可能存在的金属离子为(填粒子符号)Fe2+、Cu2+或Fe3+、Fe2+、Cu2+或Fe3+、Cu2+
(3)当溶液中金属离子只有Fe2+、Cu2+时,b的取值范围(用a,x表示)$\frac{8}{3}$a≥b>$\frac{8}{3}$a(1-x);
(4)当x=0.5,且溶液中Fe3+与Fe2+和物质的量相等,在标准状况下共产生672mLNO.
则a=0.04,b=0.12.

分析 (1)由于还原性Fe>Cu,开始加入硝酸,Fe首先与硝酸反应转化为Fe(NO32,Fe完反应时,溶液中溶质为Fe(NO32,继续加入硝酸,Cu参加反应,溶液中溶质为Fe(NO32和Cu(NO32,Cu完全溶解后,再加入硝酸会将Fe2+离子氧化为Fe2+
(2)结合(1)中分析进行解答;
(3)当溶液中的金属离子只有Fe2+、Cu2+时,则Fe完全反应转化为Fe2+,而Cu恰好完全反应或者有剩余,结合方程式计算式;
(4)当x=0.5,溶液中Fe3+和Fe2+的物质的量相等时,Cu全部转化为铜离子,根据得失电子守恒和氮原子守恒计算.

解答 解:(1)由于还原性Fe>Cu,开始加入硝酸,部分Fe首先与硝酸反应转化为Fe(NO32,残留固体为Fe、Cu;
继续加入硝酸,Fe完全溶解时,残留固体为Cu,溶液中溶质为Fe(NO32
继续加入硝酸,部分Cu参加反应,溶液中溶质为Fe(NO32和Cu(NO32,残留固体为Cu;
继续加入硝酸,Cu完全溶解时,溶液中溶质为Fe(NO32和Cu(NO32,没有残留固体;
再加入硝酸,将部分Fe2+离子氧化为Fe2+
继续加入硝酸,Fe2+全部氧化为Fe2+
故随HNO3用量的增加,溶液中的金属离子和残留固体的成分依次有六种情况为:

溶液中的金属离子Fe2+Fe2+Fe2+、Cu2+Fe2+、Cu2+Fe2+、Fe3+、Cu2+Cu2+、Fe3+
残留固体成分Fe、CuCuCu

故答案为:
溶液中的金属离子Fe2+Fe2+Fe2+、Cu2+Fe2+、Cu2+Fe2+、Fe3+、Cu2+Cu2+、Fe3+
残留固体成分Fe、CuCuCu

(2)由(1)中分析可知,若残留固体只有铜时,则可能存在的金属离子为Fe2+或Fe2+、Cu2+,若合金全部溶解,则可能的离子为Fe2+、Cu2+或Fe3+、Fe2+、Cu2+或Fe3+、Cu2+
故答案为:Fe2+或Fe2+、Cu2+;Fe2+、Cu2+或Fe3+、Fe2+、Cu2+或Fe3+、Cu2+
(3)当溶液中的金属离子只有Fe2+、Cu2+时,则Fe完全反应转化为Fe2+,而Cu恰好完全反应或者有剩余,
Cu的物质的量为ax mol,Fe的物质的量为a(1-x) mol,
      3 Fe+8 HNO3=3Fe(NO32+2NO↑+4H2O,
      3             8
a(1-x)mol    $\frac{8}{3}$a(1-x)mol
与Fe反应后剩余的硝酸为bmol-$\frac{8}{3}$a(1-x)mol,
   3 Cu+8 HNO3=3Cu(NO32+2NO↑+4H2O,
3            8
ax mol     $\frac{8}{3}$ax mol
则①b>$\frac{8}{3}$a(1-x)
②$\frac{8}{3}$ax≤b-$\frac{8}{3}$a(1-x)
整理可得:$\frac{8}{3}$a≥b>$\frac{8}{3}$a(1-x)
故答案为:$\frac{8}{3}$a≥b>$\frac{8}{3}$a(1-x);
(4)当x=0.5,溶液中Fe3+和Fe2+的物质的量相等时,Cu全部为铜离子,所以参加反应的Cu为0.5amol,Fe3+和Fe2+的物质的量各为0.25amol,
HNO3→NO,N得3电子,产生672mlNO气体即0.03mol,总计得0.09 mol电子,
Cu→Cu2+,Cu失2电子,则失a mol电子,
Fe→Fe2+,Fe失2电子,则失0.5amol电子,
Fe→Fe3+,Fe失3电子,则失0.75amol电子,
根据得失电子总数相等,所以:0.09=a+0.5a+0.75a,解得a=0.04,
根据氮原子守恒可知:b=2n[Cu(NO32]+2n[Fe(NO32]+3n[Fe(NO33]+2n(NO)=2×0.04×0.5+2×0.04×0.25+3×0.04×0.25+0.03=0.12;
故答案为:a=0.04;b=0.12.

点评 本题考查混合物有关计算、硝酸的性质等,注意发生反应的先后顺序以及电子守恒、原子守恒的应用,题目难度较大.

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