Question

现有Fe、Cu组成的合金，其中Cu、Fe的总物质的量为a mol，Cu的物质的量分数为x；研成粉末后，全部投入含b mol HNO的稀溶液中，微热使其充分反应，且硝酸的还原产物只有NO，试回答下列问题：

（1）若剩余的残渣只有Cu，则溶液中含有的金属离子为__________。(写出所有可能情况)

（2）当溶液中金属离子只有Fe、Cu时，则b的取值范围是(用a、x表示)___________。

（3）当x＝0.5，溶液中Fe与Fe的物质的量相等时，在标准状况下共产生672 mL气体。则a＝____________、b＝_____________。

Answer

(1)  Fe2＋或Fe2＋、Cu2＋ (2分)

(2)    （2分）

(3)  a＝0.04mol   b＝0.12mol （2分）

【解析】

试题分析：(1) Cu、Fe的混合物与稀硝酸反应，金属可能有剩余，可能没有剩余．金属可能有剩余时，根据共存可知，剩余金属有两种情况：

①剩余Fe、Cu，当有Fe剩余时，溶液中能与Fe反应的Fe3+、Cu2+都不存在，所以溶液中只有Fe2+；

②只剩余Cu，溶液中一定不存在与Cu反应的Fe3+，根据离子共存，溶液可能只有Fe2+；

③通过②知，溶液中还可能存在的离子是Fe2+、Cu2+；

④当固体没有剩余时，可能存在的情况是：当Fe恰好与硝酸反应生成Fe2+，Cu恰好与硝酸生成Cu2+，所以溶液中存在的离子是Fe2+、Cu2+；

⑤通过④知，固体没有剩余时，生成的Fe3+部分反应，根据离子共存，溶液中存在的离子可能的Fe2+、Fe3+、Cu2+；

⑥通过④、⑤知，固体没有剩余时，铁、铜全部被氧化成离子，根据离子共存，溶液中存在的离子可能是Cu2+、Fe3+；

有如下情况：

残留固体成分

Fe、Cu

Cu

Cu

--

--

__

溶液中的金属离子

Fe2+

Fe2+

Fe2+、Cu2+

Fe2+、Cu2+

Fe2+、Fe3+、Cu2+

Cu2+、Fe3+

（2）当溶液金属离子只有Fe2＋、Cu2＋时，说明Cu恰好完全反应或者有剩余，而HNO3和Fe则完全反应（否则的话，如果有硝酸剩余，则Fe2＋则会被进一步氧化为Fe3＋；如果有Fe剩余，则会和Cu2＋继续反应）

3Cu+8HNO33Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O

ax  

3Fe   +    8HNO3 3Fe(NO3)2+2NO↑+ 4H2O

a(1－x) 

总耗用硝酸量：n(HNO3)=+ =

所以：＜b≤

（3）当溶液中为Fe3＋、Fe2＋时，说明Cu、Fe完全反应（如果未完全反应，则Cu和Fe会和Fe3＋反应），并且HNO3也完全反应没有剩余（如果有硝酸剩余，则Fe2＋则会被进一步氧化为Fe3＋）溶液中Fe3＋、Fe2＋的物质的量相等，说明有一半Fe变为Fe3＋，一半变为Fe2+

当x=0.5，nFe3＋=nFe2＋    V(NO)=0.672L

则nFe3＋=nFe2＋=0.25a mol   nCu = 0.5amol

此时3Fe＋8HNO33Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O     ①

3Cu＋8HNO33 Cu (NO3)2＋2NO＋4H2O     ②

3Fe(NO3)2＋4HNO33Fe(NO3)3＋NO＋2H2O   ③

反应均发生了，且无反应物剩余。

3Fe  ＋   8HNO3 3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O   ①   

 0.5a   0.5a×8/3      0.5a     0.5a×2/3

3Cu＋8HNO3   3 Cu (NO3)2＋2NO↑＋4H2O      ②    

0.5a   0.5a×8/3     0.5a          0.5a×2/3 

3Fe(NO3)2＋4HNO3  3Fe(NO3)3＋NO＋2H2O  ③

 0.25a    0.25a ×4/3      0.25a

0.5a×2/3 +0.5a×2/3 + 0.25a×1/3 =0.672L/22.4L·mol－1=0.03mol

解得：a=0.04 mol 

b= 0.5a×8/3 + 0.5a×8/3+0.25a ×4/3=3a=3×0.04 mol =0.12 mol