Question

13．某課外興趣小組成員為研究金屬銅與強酸的反應(yīng)，將9.6克銅粉分為三等份，進行了如下一些實驗，請完成有關(guān)計算．
（1）取其中一份與100mL一定濃度的硝酸反應(yīng)，待固體完全溶解，產(chǎn)生的一氧化氮和二氧化氮混合氣體在標準狀況下的體積為0.896L．然后將剩余溶液稀釋至1000mL，測得pH=0．請計算：生成的混合氣體中一氧化氮的體積分數(shù)為75%、反應(yīng)前硝酸的物質(zhì)的量濃度是11.4mol/L．
（2）再取另一份銅粉投入100mLpH=0的硫酸和硝酸混合液中，微熱使反應(yīng)充分完成后，生成一氧化氮氣體448mL（標準狀況）．求反應(yīng)前混合溶液中所含硫酸的物質(zhì)的量是多少？（寫出計算過程）
（3）用NaOH溶液吸收氮氧化物是防止NOx污染的一種方法．
原理為：2NO₂+2NaOH→NaNO₃+NaNO₂+H₂O，NO+NO₂+2NaOH→2NaNO₂+H₂O
取最后一份銅粉溶于a mol/L過量的硝酸溶液30.0ml中，假設(shè)硝酸的還原產(chǎn)物只有一氧化氮和二氧化氮．待反應(yīng)結(jié)束后，將所剩溶液加水稀釋至1000m L，測得c（NO₃^-）=0.200mol/L．若反應(yīng)所生成的混合氣體能被NaOH溶液完全吸收，試討論a的取值范圍．

Answer 1

分析 n（Cu）=$\frac{9.6g}{64g/mol}$=0.15mol，
（1）n（NOx）=$\frac{0.896L}{22.4L/mol}$=0.04mol，剩余溶液中n（HNO₃）=1mol/L×1L=1mol，設(shè)NO、NO₂的物質(zhì)的量分別為x、y，結(jié)合轉(zhuǎn)移電子守恒得$\left\{\begin{array}{l}{x+y=0.04}\\{（5-2）x+y（5-4）=0.15×\frac{1}{3}×2}\end{array}\right.$，
解得x=0.03mol，y=0.01mol，
相同條件下，不同氣體的物質(zhì)的量之比等于其體積之比，NO的體積分數(shù)等于其物質(zhì)的量分數(shù)；
根據(jù)N原子守恒知，原來溶液中n（HNO₃）=2[Cu（NO₃）₂]+n（NOx）+n（HNO₃）_（剩余）=2n（Cu）+n（NOx）+n（HNO₃）_（剩余）=0.15mol×$\frac{1}{3}$×2+0.04mol+1mol=1.14mol，
根據(jù)c=$\frac{n}{V}$計算硝酸物質(zhì)的量濃度；
（2）n（NO）=$\frac{0.448L}{22.4L/mol}$=0.02mol，原來混合溶液中pH=0的硫酸和硝酸混合溶液中c（H⁺）=1mol/L，
n（H⁺）=0.1L×1mol/L=0.1mol，n（Cu）=0.15mol×$\frac{1}{3}$=0.05mol，根據(jù)3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+3H₂O可知，如果銅完全反應(yīng)需要n（H⁺）=$\frac{0.05mol×8}{3}$≈0.13mol＞0.1mol，銅過量，硝酸完全反應(yīng)，所以n（HNO₃）=n（NO）=0.02mol，
原來溶液中n（H⁺）=2n（H₂SO₄）+n（HNO₃）=2n（H₂SO₄）+0.02mol=0.1mol；
（3）設(shè)n（NO₂）=xmol，n（NO）=ymol，
根據(jù)電子守恒，有x+3y=0.05×2，
根據(jù)N元素守恒，有x+y=0.03a-0.2，
解之得：x=（0.045a-0.35）mol，y=（0.15-0.015a）mol；
要使混合氣體完全被NaOH吸收，則生成的二氧化氮和一氧化氮體積為≥1：1，采用極限法分析解答．

解答 解：（1）n（Cu）=$\frac{9.6g}{64g/mol}$=0.15mol，n（NOx）=$\frac{0.896L}{22.4L/mol}$=0.04mol，剩余溶液中n（HNO₃）=1mol/L×1L=1mol，設(shè)NO、NO₂的物質(zhì)的量分別為x、y，結(jié)合轉(zhuǎn)移電子守恒得$\left\{\begin{array}{l}{x+y=0.04}\\{（5-2）x+y（5-4）=0.15×\frac{1}{3}×2}\end{array}\right.$，
解得x=0.03mol，y=0.01mol，
相同條件下，不同氣體的物質(zhì)的量之比等于其體積之比，NO的體積分數(shù)等于其物質(zhì)的量分數(shù)為$\frac{0.03mol}{0.03mol+0.01mol}$×100%=75%；
根據(jù)N原子守恒知，原來溶液中n（HNO₃）=2[Cu（NO₃）₂]+n（NOx）+n（HNO₃）_（剩余）=2n（Cu）+n（NOx）+n（HNO₃）_（剩余）=0.15mol×$\frac{1}{3}$×2+0.04mol+1mol=1.14mol，由c=$\frac{n}{V}$可知硝酸物質(zhì)的量濃度為$\frac{1.14mol}{0.1L}$=11.4mol/L，
故答案為：75%；11.4mol/L；
（2）NO的物質(zhì)的量是0.448L÷22.4L/mol=0.02mol，投入的銅是0.05mol，根據(jù)方程式3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O可知銅完全反應(yīng)需要氫離子的物質(zhì)的量是$\frac{8}{3}×0.05mol$，溶液中氫離子是0.1L×1.0mol/L=0.1mol，這說明氫離子不足，銅過量，硝酸完全反應(yīng)．根據(jù)氮原子守恒可知硝酸的物質(zhì)的量是0.02mol，所以原溶液中硫酸的物質(zhì)的量是$\frac{0.1mol-0.02mol}{2}$=0.04mol，
答：反應(yīng)前混合溶液中所含硫酸的物質(zhì)的量是0.04mol；
（3）設(shè)n（NO₂）=xmol，n（NO）=ymol，
根據(jù)電子守恒，有x+3y=0.05×2，
根據(jù)N元素守恒，有x+y=0.03a-0.2，
解之得：x=（0.045a-0.35）mol，y=（0.15-0.015a）mol；
如硝酸全部被還原為NO₂，由轉(zhuǎn)移電子數(shù)目相等可知生成的NO₂物質(zhì)的量為n（NO₂）=2n（Cu）=2×0.05mol=0.1mol，則0.03a-0.2=0.1，a=10，
如生成NO和NO₂，氣體完全被吸收，則由反應(yīng)2NO₂+2NaOH=NaNO₃+NaNO₂+H₂O，NO₂+NO+2NaOH=2NaNO₂+H₂O可知，應(yīng)滿足n（NO₂）≥n（NO），
設(shè)二者物質(zhì)的量相等，且都為xmol，則由轉(zhuǎn)移電子數(shù)目相等可知x+3x=0.05×2，x=0.025，
此時0.03a-0.2=0.025×2，
a=8.3，
則a≥8.3，
應(yīng)滿足8.3≤a＜10），
答：a的取值范圍為8.3≤a＜10）．

點評 本題考查氧化還原反應(yīng)的計算，為高頻考點，把握物質(zhì)的性質(zhì)、發(fā)生的反應(yīng)為解答的關(guān)鍵，側(cè)重分析與計算能力的考查，注意電子及原子守恒應(yīng)用，題目難度不大．