Question

2．已知：Fe²⁺能被稀硝酸氧化，反应方程式为：3Fe（NO₃）₂+4HNO₃（稀）→3Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O
现将一定量的铁和铜的混合物分为等质量的4份，分别加入等浓度不同体积的质量分数为0.20的稀硝酸（假设反应中稀硝酸的还原产物只有NO），产生气体的体积（标准状况下）与剩余固体的质量如下表：

硝酸体积（mL）	100	200	300	400
剩余固体（g）	18.0	9.6	0	0
放出气体的体积（mL）	2240	4480	6720

（1）由NO与HNO₃的关系可知，稀硝酸的物质的量浓度为4 mol•L^-1．
（2）稀硝酸的密度为1.26g/cm³．
（3）放出2240mL气体时，反应的离子方程式是3Fe+8H⁺+2NO₃^-=3Fe²⁺+2NO↑+4H₂O，放出4480mL气体时，消耗金属的质量为16.8g．
（4）原混合物中铁和铜的物质的量比为2：1．
（5）加入400mL稀硝酸，反应完全后，溶液中NO₃^-的物质的量为1.2mol．
（6）当溶液中Cu²⁺、Fe²⁺的物质的量浓度相等时，放出气体的体积7840mL（标准状况下）．

Answer 1

分析 （1）加入100mL硝酸时，金属有剩余，说明金属溶解生成二价离子且硝酸完全反应生成硝酸银和NO，n（NO）=$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，生成NO和消耗硝酸之间的关系式为2NO～～8HNO₃，据此计算硝酸浓度；
（2）ρ=$\frac{cM}{1000w}$=$\frac{4×63}{1000×0.2}$=1.26g/cm³；
（3）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4.48L-2.24L=2.24L，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、②只有Fe参与反应；
（4）100-200mL时，溶解金属质量=18.0g-9.6g=8.4g，金属有剩余，说明生成的金属阳离子是二价铁离子，增加n（NO）=$\frac{4.48L-2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，根据转移电子守恒得n（金属）=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2-0}$=0.15mol，金属平均摩尔质量=$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，所以溶解的是Fe；
200-300mL时，溶解金属质量=9.6g-0=9.6g，增加n（NO）=$\frac{6.72L-4.48L}{22.4L/mol}$=0.1mol，假设溶解的完全是铜，
根据转移电子守恒得n（金属）=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2-0}$=0.15mol，金属平均摩尔质量=$\frac{9.6g}{0.15mol}$=64g/mol，所以溶解的完全是Cu；
（5）400mL该稀硝酸中含有硝酸的物质的量为：4mol/L×0.4L=1.6mol，根据反应Fe+4HNO₃=Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O计算出铁完全反应生成硝酸铁消耗硝酸的物质的量，再计算出铜完全反应消耗硝酸的物质的量，根据计算结果判断硝酸过量情况，再计算出溶液中含有的硝酸根离子的物质的量；
（6）由（4）铜离子的物质的量为0.15mol，所以消耗0.15mol的亚铁离子转移电子数为0.15mol，生成一氧化氮的物质的量为：$\frac{0.15mol}{3}$=0.05mol，计算生成NO体积．

解答 解：（1）加入100mL硝酸时，金属有剩余，说明金属溶解生成二价离子且硝酸完全反应生成硝酸银和NO，n（NO）=加入100mL硝酸时，金属有剩余，说明金属溶解生成二价离子且硝酸完全反应生成硝酸银和NO，n（NO）=$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，生成NO和消耗硝酸之间的关系式为2NO----8HNO₃，c（HNO₃）=$\frac{n}{V}$=$\frac{\frac{0.1mol}{2}×8}{0.1L}$=4mol/L，故答案为：4；
（2）ρ=$\frac{cM}{1000w}$=$\frac{4×63}{1000×0.2}$=1.26g/cm³，故答案为：1.26；
（3）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4.48L-2.24L=2.24L，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、②只有Fe参与反应；放出2240mL气体时，反应的离子方程式是：3Fe+8H⁺+2NO₃^-=3Fe²⁺+2NO↑+4H₂O，当放出4480mL气体时，消耗金属的质量为8.4g×2=16.8g，故答案为：3Fe+8H⁺+2NO₃^-=3Fe²⁺+2NO↑+4H₂O；   16.8；
（4）100-200mL时，溶解金属质量=18.0g-9.6g=8.4g，金属有剩余，说明生成的金属阳离子是二价铁离子，增加n（NO）=$\frac{4.48L-2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，根据转移电子守恒得n（金属）=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2-0}$=0.15mol，金属平均摩尔质量=$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，所以溶解的是Fe；
200-300mL时，溶解金属质量=9.6g-0=9.6g，增加n（NO）=$\frac{6.72L-4.48L}{22.4L/mol}$=0.1mol，假设溶解的完全是铜，
根据转移电子守恒得n（金属）=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2-0}$=0.15mol，金属平均摩尔质量=$\frac{9.6g}{0.15mol}$=64g/mol，所以溶解的完全是Cu，所以铁的物质的量为：$\frac{16.8}{56}$=0.3mol，而铜的物质的量为：$\frac{9.6}{64}$=0.15mol，所以铁和铜的物质的量比为2：1，故答案为：2：1； 
（5）400mL该稀硝酸中含有硝酸的物质的量为4mol/L×0.4L=1.6mol，根据反应Fe+4HNO₃=Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，0.3mol铁完全反应消耗硝酸的物质的量为0.3mol×4=1.2mol，0.15mol铜完全反应消耗硝酸的物质的量为0.15mol×$\frac{8}{3}$=0.4mol，总共需要消耗1.6mol硝酸，说明加入400mL稀硝酸后恰好反应，硝酸和金属恰好反应生成硝酸铜、硝酸铁，所以溶液中硝酸根离子的物质的量为0.3mol×3+0.15mol×2=1.2mol，故答案为：1.2；
（6）由（4）铜离子的物质的量为0.15mol，所以消耗0.15mol的亚铁离子转移电子数为0.15mol，生成一氧化氮的物质的量为：$\frac{0.15mol}{3}$=0.05mol，放出气体的体积为：6720+0.05mol×22.4L/mol×1000mL/L=7840mL，故答案为：7840．

点评 本题考查混合物的有关计算，题目浓度较大、计算过程较复杂、计算量较大，为易错题目，根据表中数据判断各阶段发生的反应是解题关键，侧重对学生综合能力的考查．