Question

5．将铁粉和铜粉的均匀混合物，平均分为四等分，分别加入同浓度的稀硝酸，充分反应，在标准状况下生成NO的体积和剩余金属的质量表如表（设硝酸的还原产物只有NO）

编号	①	②	③	④
稀硝酸体积/ml	100mL	200mL	300mL	400mL
剩余金属/g	18.0g	9.6g	0	0
NO体积/L	2.24L	4.48L	6.7L	V

试计算：
（1）硝酸的浓度．
（2）每份金属混合物的总质量．
（3）实验④中V的值．

Answer 1

分析 由表中数据可知，实验①②都有金属剩余，则溶液中不可能含有硝酸铁，溶液中金属离子为+2价，在实验①的基础上加入100mL硝酸，参加反应的金属的质量为18g-9.6g=8.4g，
生成NO的体积为4480mL-2240mL=2240mL，NO物质的量为0.1mol，
根据电子转移守恒可知，参加反应金属的物质的量为：$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，
参加反应金属的平均摩尔质量为：$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，
故该过程只有Fe参加反应，故实验①只有Fe参与反应，
根据NO的体积结合方程式计算硝酸的物质的量、参加反应Fe的物质的量，
根据c=$\frac{n}{V}$计算硝酸的物质的量浓度，根据m=nM计算①中参加反应Fe的质量；
在实验②的基础上加入100mL硝酸，参加反应的金属的质量为9.6g，生成NO的体积为6720mL-4480mL=2240mL，NO物质的量为0.1mol，
若该过程只有Cu参加反应，根据电子转移守恒，
则Cu的物质的量=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，Cu的质量=0.15mol×64g/mol=9.6g，等于参加反应金属的质量，
故该过程只有Cu反应，且Cu恰好完全反应，
故加入200mL硝酸时，Fe恰好反应生成硝酸亚铁，在实验③的基础上再加入100mL硝酸，为硝酸与溶液中亚铁离子反应生成NO，
根据亚铁离子的物质的量，利用电子转移守恒计算该阶段生成NO的物质的量，再根据V=nV_m计算该阶段生成NO的体积，进而计算V的值；
每份金属混合物为①中溶解的Fe与实验①剩余的金属的质量之和．

解答 解：由表中数据可知，实验①②都有金属剩余，则溶液中不可能含有硝酸铁，溶液中金属离子为+2价，在实验①的基础上加入100mL硝酸，参加反应的金属的质量为18g-9.6g=8.4g，
生成NO的体积为4480mL-2240mL=2240mL，NO物质的量为0.1mol，
根据电子转移守恒可知，参加反应金属的物质的量为：$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，
参加反应金属的平均摩尔质量为：$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，
故该过程只有Fe参加反应，故实验①只有Fe参与反应；
在实验②的基础上加入100mL硝酸，参加反应的金属的质量为9.6g，生成NO的体积为6720mL-4480mL=2240mL，NO物质的量为0.1mol，
若该过程只有Cu参加反应，根据电子转移守恒，
则Cu的物质的量=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，Cu的质量=0.15mol×64g/mol=9.6g，等于参加反应金属的质量，
故该过程只有Cu反应，且Cu恰好完全反应，
故加入200mL硝酸时，Fe恰好反应生成硝酸亚铁，在实验③的基础上再加入100mL硝酸，为硝酸与溶液中亚铁离子反应生成NO，
（1）由上述分析可知，实验①发生反应3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，生成NO的物质的量为：$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，
根据方程式可知，参加反应的硝酸的物质的量为0.1mol×4=0.4mol，
故硝酸的物质的量浓度为：$\frac{0.4mol}{0.1L}$=4mol/L，
答：硝酸的浓度为4mol/L；
（2）由上述分析可知，实验①发生反应3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，生成NO的物质的量为0.1mol，
根据方程式可知，参加反应的Fe的物质的量为0.1mol×$\frac{3}{2}$=0.15mol，
故参加反应Fe的质量=0.15mol×56g/mol=8.4g，即①中溶解了8.4gFe，
故每份溶液中含有金属的质量为：8.4g+18g=26.4g，
答：每份金属混合物的质量为26.4g；
（3）由上述分析可知，实验②中Fe与硝酸恰好反应生成硝酸亚铁，生成NO的物质的量=$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，
由3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O可知，溶液中亚铁离子的物质的量为0.3mol，在实验③的基础上再加入100mL硝酸，为硝酸与溶液中亚铁离子反应生成NO，
根据电子转移守恒可知，生成NO的物质的量=$\frac{0.3mol×（3-2）}{5-2}$=0.1mol，
故生成NO的体积为：0.1mol×22.4L/mol=2.24L=2240mL，
故V=6720+2240=8960，
答：实验④中V的值为8960．

点评 本题考查混合物的有关计算、化学方程式的计算，题目难度较大，根据表中数据判断各阶段发生的反应是关键，侧重对学生综合能力的考查，过程复杂、计算量较大，试题充分考查了学生的分析能力及化学计算能力．