高中 化学 必修 第二册 第五章 化工生产中的重要非金属元素《专题突破(二) 硝酸与金属反应的相关计算》教学设计

1．硝酸与金属反应的计算方法(1)“原子守恒法”在解题中的应用HNO3与金属反应时，一部分HNO3起酸的作用，以NOeq\o\al(－,3)的形式存在于溶液中，另一部分HNO3作为氧化剂转化为还原产物，这两部分HNO3中氮原子的总物质的量等于反应消耗的HNO3中氮原子的物质的量。n(HNO3)总＝x·n[M(NO3)x]＋n(NO2)＋n(NO)。(2)“电子守恒法”在解题中的应用HNO3与金属的反应属于氧化还原反应，HNO3中氮原子得到的电子的物质的量等于金属失去的电子的物质的量，即金属失电子的物质的量＝n(NO2)＋3n(NO)。(3)“电荷守恒法”在解题中的应用HNO3过量时，反应后溶液中（不考虑OH－）有：c（NOeq\o\al(－,3)）＝c(H＋)＋nc(Mn＋)（Mn＋代表金属离子）。(4)“离子方程法”在解题中的应用金属与H2SO4、HNO3的混合酸反应时，由于硝酸盐中NOeq\o\al(－,3)在H2SO4提供H＋的条件下能继续与金属反应，因此此类题目应用离子方程式来计算，先作过量判断，然后根据完全反应的金属或H＋或NOeq\o\al(－,3)进行相关计算，且溶液中要符合电荷守恒。2．思维建模1．离子方程式法典例1.在100mL混合液中，HNO3和H2SO4的物质的量浓度分别是0.4mol·L-1和0.1mol·L-1，向该混合液中加入1.92g铜粉，加热，待充分反应后，所得溶液中Cu2+的物质的量浓度是（忽略溶液体积的变化）()A．0.15mol·L-1 B．0.225mol·L-1C．0.35mol·L-1 D．0.45mol·L-1答案：B解析：解答本题要从离子反应的角度来考虑，HNO3电离出的H＋全部消耗完之后，H2SO4提供的H＋可以和NOeq\o\al(－,3)构成强氧化性环境，继续氧化铜单质。HNO3、H2SO4混合液中H＋总的物质的量为0.06mol，NOeq\o\al(－,3)的物质的量为0.04mol，Cu的物质的量为0.03mol。Cu与稀硝酸发生反应：3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Cu2+＋2NO↑＋4H2O3820.03mol0.06mol0.04molH＋不足量，应根据H＋的物质的量来计算。3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Cu2+＋2NO↑＋4H2O830.06moln(Cu2+)n(Cu2+)＝0.06mol×eq\f(3,8)＝0.0225mol，c(Cu2+)＝eq\f(0.0225mol,0.1L)＝0.225mol·L-1。2．原子守恒法典例2.足量的铜和含有2.4×10-3mol硝酸的某浓硝酸完全反应，共收集到标准状况下气体22.4mL。参加反应的铜的质量是()A．3.84×10-2g B．4.48×10-2gC．4.83×10-2g D．5.76×10-2g答案：B解析：第一步：计算被还原硝酸的物质的量。铜与浓硝酸可能发生的化学方程式：Cu＋4HNO3（浓）=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，3Cu＋8HNO3（稀）=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。无论参加反应比例多少，被还原的硝酸全部转化为NO或NO2，根据氮原子守恒，则被还原硝酸的物质的量＝收集到的气体的物质的量＝eq\f(22.4×10-3L,22.4L·mol-1)＝1×10-3mol。第二步：计算生成硝酸铜的物质的量。根据硝酸（或氮原子）守恒，参加反应的硝酸减去被还原的，就是转化为盐类的硝酸，因此生成硝酸铜的物质的量＝eq\f(2.4×10-3mol－1×10-3mol,2)＝7×10-4mol。第三步：计算铜的质量。根据铜原子守恒，参加反应的铜的物质的量与生成硝酸铜的物质的量相等，则参加反应的铜的质量＝7×10-4mol×64g·mol-1＝4.48×10-2g。3．电荷守恒法典例3.3.2gCu与过量硝酸(8mol·L-1，30mL)充分反应，硝酸的还原产物有NO2和NO，反应后溶液中所含H＋为amol，则此时溶液所含NOeq\o\al(－,3)为()A．amol B．(0.2＋a)molC．(0.1＋a)mol D．(0.38＋a)mol答案：C解析：反应后溶液中的溶质为Cu(NO3)2和HNO3，由于溶液呈电中性，由电荷守恒：n（NOeq\o\al(－,3)）＝n(H＋)＋2n(Cu2+)＝amol＋2×eq\f(3.2g,64g·mol-1)＝(a＋0.1)mol。4．电子守恒法典例4.5.12gCu和一定质量的稀硝酸反应，当Cu反应完全时，共收集到标准状况下的气体3.36L，若把装有这些气体的集气瓶倒立在盛水的水槽中，需通入多少升标准状况下的氧气才能使集气瓶充满溶液？答案：0.896L解析：铜失去电子的物质的量＝被还原的硝酸得到电子的物质的量＝NO转化为HNO3失去电子的物质的量＝消耗的氧气得到的电子的物质的量，省去中间计算过程，即可简化为铜失去电子的物质的量＝氧气得电子的物质的量。则有：n(Cu)×2＝n(O2)×4，n(Cu)＝eq\f(5.12g,64g·mol-1)＝0.08mol，代入上式得：n(O2)＝0.04mol，V(O2)＝0.04mol×22.4L·mol-1＝0.896L。针对练1.一定质量的金属铜，加入50mL10mol/L的浓硝酸充分反应后，铜完全溶解，共放出标准状况下的气体4.48L。(1)若气体只有NO2，计算铜的质量。(2)若气体为NO2和NO，且硝酸也恰好完全反应，计算铜的质量。答案：(1)6.4g(2)9.6g解析：(1)一定质量的金属铜，加入50mL10mol/L的浓硝酸充分反应后，若气体只有NO2，反应的方程式是Cu＋4HNO3（浓）=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，n(NO2)＝4.48L÷22.4L/mol＝0.2mol，则根据方程式可知反应消耗的铜的物质的量是0.1mol，则其质量是m(Cu)＝0.1mol×64g/mol＝6.4g；(2)若气体为NO2和NO，且硝酸也恰好完全反应，则发生的反应有Cu＋4HNO3（浓）=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，3Cu＋8HNO3（稀）=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。假设反应产生的NO2、NO的物质的量分别是x、y；则根据反应方程式可知：2x＋4y＝10mol/L×0.05L，x＋y＝4.48L÷22.4L/mol，解得x＝0.15mol，y＝0.05mol，则根据方程式可知反应消耗的铜的物质的量是n(Cu)＝eq\f(1,2)n(NO2)＋eq\f(3,2)n(NO)＝eq\f(1,2)×0．15mol＋eq\f(3,2)×0.05mol＝0.15mol，n(Cu)＝0.15mol×64g/mol＝9.6g。针对练2.把3.86gCu­Zn合金粉末放入40mL2.0mol/L的稀硫酸中，完全反应产生气体448mL（标准状况）。试计算：（必须列出计算过程，计算结果保留1位小数）(1)合金中铜的质量分数。(2)再向上述溶液中滴加稀硝酸，要使金属完全溶解，最少需要2.0mol/L的硝酸多少毫升？答案：(1)n(Zn)＝n(H2)＝eq\f(0.448L,22.4L/mol)＝0.02mol，m(Cu)＝3.86g－m(Zn)＝2.56g，eq\f(2.56g,3.86g)×100%≈66.3%。(2)n(Cu)＝eq\f(2.56g,64g/mol)＝0.04mol，因为溶液中有剩余的H＋，H＋过量，实际最少需要硝酸的物质的量按NOeq\o\al(－,3)物质的