朱雅瓊

(安徽省靈璧中學,安徽 宿州 234200)

化學計算是中學化學教學的重點,也是難點之一,而在教材中沒有專門的章節(jié)進行教學,其分布于元素及其化合物的學習中.特別是結合真實情境中的應用把握金屬主要的性質、氮及其化合物的主要性質,探索物質性質、實現物質轉化[1].由于金屬與硝酸的反應有很多的特點,所以本文通過歸納常見的金屬與硝酸反應的類型,結合典型例題,以點帶面,提升學生的綜合計算的能力.

1 金屬與硝酸反應的特點

(1)金屬種類具有多樣性.硝酸是一種氧化性強酸,是工業(yè)上應用非常廣泛的一種強酸,也是實驗室中最為常見的酸,能與除金、鉑以外的絕大數金屬發(fā)生反應.

(2)金屬元素存在的多種化合價.由于過渡金屬存在多種化合價,特別是最為常見的金屬鐵,就有+2、+3兩種常見的化合價,而硝酸是一種強氧化性酸,硝酸用量的不同可以得到Fe(NO3)2、Fe(NO3)3兩種氧化產物,故隨著參加反應的硝酸用量不同可能會得到不同價態(tài)的氧化產物.

(4)計算過程的復雜性.金屬與硝酸反應的計算題目中往往很少只是單純進行的是金屬與硝酸的反應,隨著金屬與硝酸反應之后,還涉及到往反應后的溶液中加入NaOH溶液使金屬離子沉淀的計算;硝酸還原產物為NO、NO2(甚至還有N2O4)與氧氣反應的計算等.

綜上所述,在進行金屬與硝酸反應的計算中如果根據化學方程式進行計算,往往會無從下手,難以進行有效的計算.因此可以將電子守恒、電荷守恒、物料守恒通過相應組合,等量代換,找出已知量與未知量的關系,從而簡化解題步驟,準確快速地將題解出.

2 計算依據

電子守恒:在氧化還原反應中,氧化劑得電子總數與還原劑失電子總數是相等的.電子守恒是氧化還原反應計算的基礎,由于金屬與硝酸的反應都是氧化還原反應,所以電子守恒關系在金屬與硝酸反應的計算中具有十分重要的意義.

電荷守恒:又稱電中性原理,指在溶液中陽離子所帶正電荷總數等于陰離子所帶負電荷總數,使整個溶液不顯電性.借助電荷守恒,可以找出溶液中各離子濃度之間的關系.同時,經常利用加入NaOH溶液將金屬陽離子沉淀出來,由于一個OH-帶一個單位負電荷,由等量代換,完全沉淀金屬陽離子所需OH-的物質的量就等于金屬陽離子所帶正電荷總數,也等于金屬失電子總數;

物料守恒:又稱原子守恒,根據質量守恒定律,化學反應前后各元素原子的種類、個數和質量均保持不變,故金屬與硝酸參加反應以后,硝酸中的氮原子共有三個可能存在:一是體現酸性參與成鹽;二是體現氧化性被還原,存在于還原產物(主要為NO、NO2)中;三是硝酸過量,存在于反應后的溶液中,可以根據反應后溶液的pH進行計算[2].

3 計算模式

(設有1 mol金屬M參加反應,金屬的化合價為+n價.)

計算主線:

根據電子守恒:n(e-)=n(NO)·3+n(NO2)·1

根據物料守恒:n(HNO3)(總)=n(HNO3)(成鹽)+n(HNO3)(被還原)+n(HNO3)(過量)

若對反應后的產物進行再處理,還可以有以下的幾種情況:

(1)對反應后的溶液中加入NaOH溶液,使金屬離子恰好沉淀完全,則反應前金屬的質量與反應后沉淀的質量之間存在如圖1所示關系.

圖1 質量關系圖

結合電荷守恒與質量守恒,增加的質量即為OH-的質量,而OH-的物質的量則等于金屬單質失去電子的物質的量.

(2)當金屬離子恰好沉淀完全時,溶液中只有NaNO3,根據電荷守恒和物料守恒,則有

n(NaOH)=n(HNO3)(總)-n(HNO3)(被還原)

(3)對于反應的還原產物(NO、NO2、N2O4等混合氣體),通入O2并與水反應使其全部轉化為HNO3,具體關系如圖2所示.

圖2 反應前后物質關系圖

4 典型例題

例1將11.2 g的銅鎂的混合物完全溶解于足量的硝酸中,收集產生的氣體混合物,再向所得溶液中加入適量的NaOH溶液,產生21.4 g沉淀,根據題意推斷氣體混合物的可能組成是( ).

A.0.3 mol NO2和0.3 mol NO

B.0.2 mol NO2和0.1 mol N2O4

C.0.1 mol NO、0.2 mol NO2和0.05 mol N2O4

D.0.6 mol NO

例2足量的銅與一定量濃硝酸恰好完全反應,得到硝酸銅溶液和NO2、N2O4、NO的混合氣體,將這些氣體與1.68 L O2(STP)混合后通入水中,所有氣體完全被水吸收生成硝酸.若向所得硝酸銅溶液中加5.0 mol·L-1NaOH溶液至Cu2+恰好沉淀完全,則消耗NaOH溶液的體積是( ).

A.60 mL B.45 mL C.30 mL D.15 mL

例3將1.20 g鐵銅合金完全溶于100 mL 12.0 mol·L-1濃硝酸中,得到NO2和N2O4混合氣體672 mL(已換算為標準狀況下的體積).向反應后的溶液中加入1.0 mol·L-1NaOH溶液,當金屬離子全部沉淀時,得到2.05 g沉淀,下列有關判斷正確的是( ).

A.反應過程中濃硝酸僅體現氧化性

B.該合金中鐵與銅的物質的量之比為2∶1

D.金屬離子全部沉淀時,加入NaOH溶液的體積至少為1 150 mL.