Question

7．现有铁和铜组成的合金共a mol，其中铜的物质的量分数为x．将此合金研成粉末状后全部投入含bmolHNO₃的稀溶液中，微热使其充分反应，HNO₃还原产物只得到NO．
（1）用粒子符号填写下列空白（列举出全部可能出现的情况）．

组序     成分	①	②	③	④	⑤	⑥
残留固体成分
溶液中的金属离子

（2）当溶液中金属离子只有Fe²⁺、Cu²⁺时，则b的取值范围是（用a，x表示）$\frac{8a（1-x）}{3}$＜b≤$\frac{8a}{3}$．
（3）当x=0.5，溶液中Fe³⁺和Fe²⁺的物质的量相等时，在标准状况下共产生672mlNO气体．求a和b的值a=0.04mol，b=0.12mol．

Answer 1

分析 （1）Cu、Fe的混合物与稀硝酸反应，金属可能有剩余，可能没有剩余．金属剩余时可能是Fe、Cu或者只有Cu，根据剩余固体的成分结合物质还原性强弱、离子共存分析；
（2）当溶液中的金属离子只有Fe²⁺、Cu²⁺时，说明Cu恰好完全反应或者有剩余，而HNO₃和Fe则完全反应（如果有硝酸剩余，则Fe²⁺则会被进一步氧化为Fe³⁺；如果有Fe剩余，则会和Cu²⁺继续反应），
HNO₃→NO，N得3电子，设被还原的HNO₃为y mol，总计得3y mol电子，
Cu→Cu²⁺，Cu失2电子，设参加反应的Cu为z mol，总计失2z mol电子，
Fe→Fe²⁺，Fe失2电子，参加反应的Fe为a（1-x） mol，总计失2a（1-x） mol电子，
根据得失电子总数相等，所以：3y=2z+2a（1-x） ①
反应中起酸作用的硝酸生成Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，起氧化剂作用的硝酸生成NO，由N元素守恒，所以有：y+2a（1-x）+2z=b ②
联立方程，消去y，可得b的表达式（用a、x、z表示），参加反应的Cu的物质的量z的取值大于0，最大为ax，带入b的表达式计算．
（3）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，根据得失电子守恒和氮原子守恒计算．

解答 解：（1）Cu、Fe的混合物与稀硝酸反应，金属可能有剩余，可能没有剩余．金属可能有剩余时，根据共存可知，剩余金属有两种情况：①剩余Fe、Cu，当有Fe剩余时，溶液中能与Fe反应的Fe³⁺、Cu²⁺都不存在，所以溶液中只有Fe²⁺；
②只剩余Cu，溶液中一定不存在与Cu反应的Fe³⁺，根据离子共存，可能只有Fe²⁺；
③通过②知，溶液中还可能存在的离子是Fe²⁺、Cu²⁺；
④当固体没有剩余时，可能存在的情况是：当Fe恰好与硝酸反应生成Fe²⁺，Cu 恰好与硝酸生成Cu²⁺，所以溶液中存在的离子是Fe²⁺、Cu²⁺；
⑤通过④知，固体没有剩余时，生成的Fe³⁺部分反应，根据离子共存，溶液中存在的离子可能的Fe²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺；
⑥通过④、⑤知，固体没有剩余时，铁、铜全部被氧化成离子，根据离子共存，溶液中存在的离子可能是Cu²⁺、Fe³⁺；
故答案为：

组序 成分	①	②	③	④	⑤	⑥
残留固体成分	Fe、Cu	Cu	Cu
溶液中的金属离子	Fe2+	Fe2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Fe3+、Cu2+	Cu2+、Fe3+

（2）当溶液中的金属离子只有Fe²⁺、Cu²⁺时，说明Cu恰好完全反应或者有剩余，而HNO₃和Fe则完全反应（如果有硝酸剩余，则Fe²⁺则会被进一步氧化为Fe³⁺；如果有Fe剩余，则会和Cu²⁺继续反应），
HNO₃→NO，N得3电子，设被还原的HNO₃为y mol，总计得3y mol电子，
Cu→Cu²⁺，Cu失2电子，设参加反应的Cu为z mol，总计失2z mol电子，
Fe→Fe²⁺，Fe失2电子，参加反应的Fe为a（1-x） mol，总计失2a（1-x） mol电子，
根据得失电子总数相等，所以：3y=2z+2a（1-x）  ①
反应中起酸作用的硝酸生成Fe（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂，起氧化剂作用的硝酸生成NO，由N元素守恒，所以有：y+2a（1-x）+2z=b ②
联立方程，消去y，整理得b=$\frac{4[2z+2a（1-x）]}{3}$③
参加反应的Cu的物质的量z的取值大于0，最大为ax，带入③中，可得$\frac{8a（1-x）}{3}$＜b≤$\frac{8a}{3}$，
故答案为：$\frac{8a（1-x）}{3}$＜b≤$\frac{8a}{3}$；
（3）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（Cu²⁺）+2n（Fe²⁺）+3n（Fe³⁺）+2n（NO）=2×0.04×0.5+2×0.04×0.25+3×0.04×0.25+0.03=0.12mol；
故答案为：a=0.04mol；b=0.12mol．

点评 本题考查了铁、铜及硝酸的性质，因为铁是变价金属，和硝酸反应又涉及量不同产物不同，所以本题难度较大，可根据固体成分结合离子共存讨论，化繁为简，效果较好．