Question

現有Fe、Cu組成的合金，其中Cu、Fe的總物質的量為a mol，Cu的物質的量分數為x；研成粉末后，全部投入含b mol HNO的稀溶液中，微熱使其充分反應，且硝酸的還原產物只有NO，試回答下列問題：
（1）若剩余的殘渣只有Cu，則溶液中含有的金屬離子為__________。(寫出所有可能情況)
（2）當溶液中金屬離子只有Fe、Cu時，則b的取值范圍是(用a、x表示)___________。
（3）當x＝0.5，溶液中Fe與Fe的物質的量相等時，在標準狀況下共產生672 mL氣體。則a＝____________、b＝_____________。

Answer 1

(1)  Fe^2＋或Fe^2＋、Cu^2＋ (2分)
(2)    （2分）
(3)  a＝0.04mol   b＝0.12mol （2分）

試題分析：(1) Cu、Fe的混合物與稀硝酸反應，金屬可能有剩余，可能沒有剩余．金屬可能有剩余時，根據共存可知，剩余金屬有兩種情況：
①剩余Fe、Cu，當有Fe剩余時，溶液中能與Fe反應的Fe³⁺、Cu²⁺都不存在，所以溶液中只有Fe²⁺；
②只剩余Cu，溶液中一定不存在與Cu反應的Fe³⁺，根據離子共存，溶液可能只有Fe²⁺；
③通過②知，溶液中還可能存在的離子是Fe²⁺、Cu²⁺；
④當固體沒有剩余時，可能存在的情況是：當Fe恰好與硝酸反應生成Fe²⁺，Cu恰好與硝酸生成Cu²⁺，所以溶液中存在的離子是Fe²⁺、Cu²⁺；
⑤通過④知，固體沒有剩余時，生成的Fe³⁺部分反應，根據離子共存，溶液中存在的離子可能的Fe²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺；
⑥通過④、⑤知，固體沒有剩余時，鐵、銅全部被氧化成離子，根據離子共存，溶液中存在的離子可能是Cu²⁺、Fe³⁺；
有如下情況：

殘留固體成分	Fe、Cu	Cu	Cu	--	--	__
溶液中的金屬離子	Fe2+	Fe2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Cu2+	Fe2+、Fe3+、Cu2+	Cu2+、Fe3+

 
（2）當溶液金屬離子只有Fe^2＋、Cu^2＋時，說明Cu恰好完全反應或者有剩余，而HNO₃和Fe則完全反應（否則的話，如果有硝酸剩余，則Fe^2＋則會被進一步氧化為Fe^3＋；如果有Fe剩余，則會和Cu^2＋繼續反應）
3Cu+8HNO₃3Cu(NO₃)₂+2NO↑+4H₂O
ax  
3Fe   +    8HNO₃3Fe(NO₃)₂+2NO↑+ 4H₂O?
a(1－x) 
總耗用硝酸量：n(HNO₃)=+ =
所以：＜b≤
（3）當溶液中為Fe^3＋、Fe^2＋時，說明Cu、Fe完全反應（如果未完全反應，則Cu和Fe會和Fe^3＋反應），并且HNO₃也完全反應沒有剩余（如果有硝酸剩余，則Fe^2＋則會被進一步氧化為Fe^3＋）溶液中Fe^3＋、Fe^2＋的物質的量相等，說明有一半Fe變為Fe^3＋，一半變為Fe²⁺
當x=0.5，nFe^3＋=nFe^2＋    V(NO)=0.672L
則nFe^3＋=nFe^2＋="0.25a" mol   nCu = 0.5amol
此時3Fe＋8HNO₃3Fe(NO₃)₂＋2NO↑＋4H₂O    ①
3Cu＋8HNO₃3 Cu (NO₃)₂＋2NO＋4H₂O    ②
3Fe(NO₃)₂＋4HNO₃3Fe(NO₃)₃＋NO＋2H₂O  ③
反應均發生了，且無反應物剩余。
3Fe ＋   8HNO₃3Fe(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