劉 娟

(江蘇省射陽(yáng)中學(xué),江蘇 鹽城 224300)

守恒法是利用化學(xué)反應(yīng)前后某些量的等量關(guān)系,如原子守恒、電子守恒、電荷守恒等構(gòu)建方程式,進(jìn)而分析得到正確答案的一種解題方法.守恒法作為高中化學(xué)計(jì)算過(guò)程中的重要解題方法,也是高考中?？嫉幕A(chǔ)知識(shí)點(diǎn),尤其常見于金屬與酸的氧化還原反應(yīng)中.基于此,本文以常見的銅與硝酸反應(yīng)為例,討論守恒法在金屬與硝酸的氧化還原反應(yīng)中的實(shí)際應(yīng)用[1].

1 解題思路

1.1 原子守恒法

反應(yīng)前所有的N只存在于HNO3中,反應(yīng)后含N的物質(zhì)包括HNO3的還原產(chǎn)物(假設(shè)有NO2、NO)和Cu(NO3)2,若HNO3過(guò)量,則過(guò)量HNO3中也含有N,則有

n(N)=n(NO2)+n(NO)+2n[Cu(NO3)2]+n(HNO3)(N原子守恒)

1.2 電子守恒法

1.3 電荷守恒法

1.4 離子方程式計(jì)算法

2 實(shí)例分析

例題1 將Fe粉與Cu粉的混合物均分四等份,各自添加相同濃度的HNO3,等到充分反應(yīng)之后,在標(biāo)準(zhǔn)狀況下生成的NO的體積與剩余金屬的質(zhì)量見表1(假定硝酸的還原產(chǎn)物僅有NO).

表1 標(biāo)準(zhǔn)狀況下生成的NO的體積與剩余金屬的質(zhì)量

則下列選項(xiàng)中錯(cuò)誤的是( ).

A. ①中溶解了8.4 g Fe

B. 原混合物總質(zhì)量為105.6 g

C.硝酸的濃度為4 mol/L

D.④中V=6 720 mL

解析A選項(xiàng):①②有金屬剩余,①②反應(yīng)結(jié)束溶液中鐵元素以Fe2+的形式存在,②在①的基礎(chǔ)上反應(yīng),又加入100 mL的硝酸,消耗金屬的質(zhì)量為18 g-9.6 g=8.4 g,產(chǎn)生的氣體體積為4480 mL-2240 mL=2240 mL,即n(NO)=0.1 mol,根據(jù)3M+8HNO3(稀)=3M(NO3)2+2NO↑+4H2O,此時(shí)消耗金屬的物質(zhì)的量為3×0.1 mol÷2=0.15 mol,M的摩爾質(zhì)量為8.4 g÷0.15 mol=56 g/mol,①②之間消耗的鐵,即①消耗的是鐵,A不符合題意;

B選項(xiàng):根據(jù)A的分析,消耗100 mL的硝酸,消耗8.4 g的Fe,因此一份合金的質(zhì)量為18 g+8.4 g=26.4 g,即原混合物總質(zhì)量為4×26.4 g=105.6 g,B不符合題意;

C選項(xiàng):根據(jù)A的分析,100 mL溶液中含硝酸物質(zhì)的量為8×0.1 mol÷2=0.4 mol,則硝酸的濃度為0.4 mol÷0.1L=4 mol/L,C不符合題意;

例題2在工業(yè)領(lǐng)域,由含銅廢料(包括Cu、CuS、CuSO4等)制得硝酸銅晶體的步驟如圖1所示.

圖1 制備硝酸銅的流程

(1)“焙燒”在600℃時(shí)進(jìn)行,寫出CuS轉(zhuǎn)化為CuO與SO4的化學(xué)式:____.

(2)寫出“酸化”時(shí)反應(yīng)的離子方程式____.

(3)“淘洗”所用的溶液可以是____(填字母).

A.稀硫酸 B.濃硫酸

C.稀硝酸 D.濃硝酸

(4)“反應(yīng)”這一環(huán)節(jié)選擇的試劑為20% HNO3與10% H2O2,反應(yīng)環(huán)節(jié)不會(huì)出現(xiàn)紅棕色氣體,該反應(yīng)的化學(xué)方程式為: ____.

(5)根據(jù)圖2分析從“反應(yīng)”所得溶液中析出Cu(NO3)2·3H2O的方法為____.

圖2 硝酸銅晶體的溶解度

分析在工業(yè)領(lǐng)域,由含銅廢料(帶有Cu、CuS、CuSO4等)制備硝酸銅晶體,廢料進(jìn)入空氣焙燒后銅制得氧化銅,硫化銅轉(zhuǎn)換成CuO與SO2,添加硫酸酸化形成硫酸銅,添加過(guò)量的鐵發(fā)生置換反應(yīng)產(chǎn)生銅,通過(guò)過(guò)濾后產(chǎn)生濾渣鐵與銅,經(jīng)過(guò)冷水淘洗后添加20% HNO3與10% H2O2發(fā)生反應(yīng),蒸發(fā)濃縮,降溫到略超過(guò)26.4℃出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象,由“反應(yīng)”所得溶液中產(chǎn)生Cu(NO3)2·3H2O.

解析(1)CuS焙燒和氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化為CuO和SO2,反應(yīng)的化學(xué)方程式為:

故答案為:

(2)廢料進(jìn)入空氣焙燒后銅產(chǎn)生氧化銅,硫化銅轉(zhuǎn)換成成CuO和SO2,加入硫酸酸化生成硫酸銅,反應(yīng)化學(xué)方程式為:

離子方程式為:

故答案為:

(3)淘洗添加的酸應(yīng)不具備強(qiáng)氧化性,不然就會(huì)使銅不斷溶解.

A．稀硫酸,無(wú)法與銅反應(yīng),所以選擇A;

B．濃硫酸與銅常溫條件下不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng),但遇到水溶解釋放很多熱,濃硫酸將與銅發(fā)生反應(yīng),所以不選B;

C．稀硝酸具備氧化性,會(huì)使銅發(fā)生氧化反應(yīng),所以不選C;

D．濃硝酸能與銅進(jìn)行反應(yīng),所以不選D.

因此最終答案是:A

(4)“反應(yīng)”這一步驟選擇的試劑為20% HNO3與10% H2O2,硝酸作酸性條件,過(guò)氧化氫作為氧化劑,氧化銅生成硝酸銅,反應(yīng)的化學(xué)方程式是:

所以,最終答案是:

(5)由圖像中結(jié)晶水合物的溶解度隨著溫度變化曲線能夠發(fā)現(xiàn),溫度超過(guò)26.4℃由“反應(yīng)”所得溶液里產(chǎn)生Cu(NO3)2·3H2O,所得溶液里產(chǎn)生的Cu(NO3)2·3H2O方法為:蒸發(fā)濃縮,降溫到略超過(guò)26.4℃出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象,所以答案是:蒸發(fā)濃縮,降溫到略超過(guò)26.4℃時(shí)出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象[3].

總的來(lái)說(shuō),金屬與硝酸的氧化還原反應(yīng)作為高中化學(xué)中的常考題型,學(xué)生一定要靈活把握題目中的關(guān)鍵信息,抓住反應(yīng)過(guò)程中的始態(tài)和終態(tài),巧借守恒法構(gòu)建等量關(guān)系,從而找到解題突破口.