Question

19．为了测定某碳素钢（假设只含铁和碳）的含碳量，将10.000g钢样完全溶解于过量的热浓硝酸中，产生了0.300mol的气体（假设气体全部逸出，N₂O₄已折算为NO₂）．气体用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液完全吸收后，只生成两种盐，溶液蒸干后得到不含结晶水的固体32.664g．计算：
（1）钢样的含碳量；
（2）参加反应的硝酸的物质的量．

Answer 1

分析 （1）若铁与浓硝酸反应生成的完全为二氧化氮，根据反应C+4HNO₃（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O可知，当C为0时生成气体的量最少，则10g铁完全反应生成二氧化氮的物质的量为：$\frac{10g}{56g/mol}$×3≈0.536mol＞0.300mol，所以铁与硝酸反应生成的气体为NO、NO₂的混合物；再根据气体用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液（氢氧化钠远远过量）完全吸收后，只生成两种盐可知，生成的盐为碳酸钠和亚硝酸钠，说明生成的NO、NO₂的物质的量相等，设NO、NO₂的物质的量都为x，该碳素钢中含有C为y，
根据反应C+4HNO₃（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0可知，ymolC与浓硝酸反应生成ymol二氧化碳、4ymol二氧化氮，
铁与浓硝酸反应生成的二氧化氮为：x-4y，根据反应Fe+6HNO₃（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，该钢中含有铁的物质的量为：$\frac{3}{2}$x+$\frac{1}{3}$（x-4y），根据该钢的质量可得：①[x+$\frac{1}{3}$（x-4y）]×56+12y=10.00，再根据气体的总物质的量可得：②y+2x=0.3，联立①②计算出x、y，再计算出该钢样的含碳量；
（2）根据（1）计算结果及反应C+4HNO₃（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O计算出反应中消耗硝酸的总物质的量．

解答 解：（1）若铁与浓硝酸反应生成的完全为二氧化氮，根据反应C+4HNO₃（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O可知，当C为0时生成气体的量最少，则10g铁完全反应生成二氧化氮的物质的量为：$\frac{10g}{56g/mol}$×3≈0.536mol＞0.300mol，所以铁与硝酸反应生成的气体为NO、NO₂的混合物；再根据气体用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液（氢氧化钠远远过量）完全吸收后，只生成两种盐可知，生成的盐为碳酸钠和亚硝酸钠，说明生成的NO、NO₂的物质的量相等，设NO、NO₂的物质的量都为x，该碳素钢中含有C为y，
根据反应C+4HNO₃（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0可知，ymolC与浓硝酸反应生成ymol二氧化碳、4ymol二氧化氮，
铁与浓硝酸反应生成的二氧化氮为：x-4y，根据反应Fe+6HNO₃（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，该钢中含有铁的物质的量为：$\frac{3}{2}$x+$\frac{1}{3}$（x-4y），根据该钢的质量可得：①[x+$\frac{1}{3}$（x-4y）]×56+12y=10.00，
根据气体的总物质的量可得：②y+2x=0.3，
联立①②解得：x=0.144mol、y=0.012mol，
即：该钢中含有0.012molC，其含碳量为：$\frac{12g/mol×0.012mol}{10.00g}$×100%=1.44%，
答：该钢样的含碳量为1.44%；
（2）0.012molC消耗硝酸的物质的量为：0.012mol×4=0.048mol，
生成0.144molNO消耗硝酸的物质的量为：0.144mol×4=0.576mol，
铁与浓硝酸反应生成二氧化氮的物质的量为：0.144mol-0.012mol×4=0.096mol，反应生成0.096mol二氧化氮消耗硝酸的物质的量为：0.096mol×$\frac{6}{3}$=0.192mol，
所以反应中消耗硝酸的总物质的量为：0.048mol+0.576mol+0.192mol=0.816mol，
答：参加反应的硝酸的物质的量为0.816mol．

点评 本题考查了混合物反应的计算，题目难度较大，根据生成气体的量及生成两种盐判断反应气体组成及生成固体的组成为解答关键，注意明确一氧化氮、二氧化氮与氢氧化钠溶液的反应原理，试题侧重考查学生的分析、理解能力．