解析一组有关铁与硝酸反应方程式的试题

解析一组有关铁与硝酸反应方程式的试题

铁与硝酸反应的试题是高中化学久考不衰的热点问题，这是一个受多种因素影响较为复杂的反应。因此，命题者可以从硝酸的浓度、反应温度、硝酸与铁的用量不同等多种因素变化，利用基本概念、氧化还原反应、离子反应、推理计算等原理而设计出许多考题。下面就解析一组有关铁与硝酸反应方程式的试题。

1．铁与浓硝酸反应环境条件变化的试题

铁与浓硝酸反应的产物依赖于硝酸的冷热程度、硝酸的浓稀程度等综合因素，下面将从温度和浓度两个因素变化结合图形进行命题。

例1．铁在冷的稀硝酸中反应的主要还原产物为NO，而在热的稀硝酸中反应其主要还原产物为N2O，当溶液更稀主要还原产物为NH4+，请分析下图回答问题（假设在任一气体产生曲线段内只有一种还原产物）。

c(H+

)

a b c d

⑴配平由b到c点时反应的化学方程式。

Fe+ HNO3 =Fe(NO3)3+ NH4NO3+ H2O

⑵判断从o点到a点时的还原产物为。

⑶从a点到b点时产生的还原产物为，其原因是。

⑷已知到达d点时反应完全结束，此时溶液中的主要阳离子为，分析投入金属铁的物质的量之比n c(Fe)/n d(Fe)为。

解析：题给图象可氛围两部分，其一是H+浓度随n(Fe)的改变情况；其二是产生气体的体积随n(Fe)的改变情况。从题给条件知铁在冷稀硝酸中生成NO，故从o点到a点时，硝酸过量，反应产物为Fe(NO3)3和NO；随着反应的进行，温度升高，从a点到b点时，反应产物为Fe(NO3)3和N2O；由于硝酸的不断消耗，使得硝酸更稀，不再有气体生成，从b到c点时，反应产物为Fe(NO3)3和NH4NO3；到达c点时，H+已消耗完毕，进行的只是Fe(NO3)3与Fe的反应，从c点到d点时，反应产物为Fe(NO3)2。

⑴根据氧化还原反应电子得失守恒原理配平的反应式为：

8Fe+30HNO3=8Fe(NO3)3+3NH4NO3+9H2O。

⑵开始反应时稀硝酸主要还原产物为NO。

⑶因为该反应放热反应，当反应温度升高后，则生成N2O。

⑷到d点是反应的最后一个阶段，因为不断加入铁，Fe与Fe3+作用生成Fe2+，故此时溶液中的主要阳离子为Fe2+。又因Fe与Fe3+反应时的物质的量之比为1：2，所以n c(Fe)/n d(Fe)=2/3。

答案：⑴8 30 8 3 9 ⑵NO

⑶N2O 因为该反应放热反应，当反应温度升高后，则生成N2O。

⑷Fe2+ 2/3

2．铁与浓硝酸反应铁的用量不同的试题

铁粉与过量浓硝酸反应时，其反应过程如下：首先是Fe+6HNO3(

=

浓) Fe(NO3)3+3NO2↑+3H2O，然后是Fe+4HNO3(稀)=Fe(NO3)3+NO↑+2H2O，接着是Fe+2Fe(NO3)3=3Fe(NO3)2。这样，若过量铁粉与浓硝酸反应，则有Fe+4HNO3(浓)=Fe(NO3)2+2NO2↑+2H2O。若铁粉与过量的稀硝酸反应，则有Fe+4HNO3(稀)=Fe(NO3)3+NO↑+2H2O；过量的铁粉与稀硝酸反应，则有3Fe+8HNO3(稀)=3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O。因此，铁粉与硝酸反应时，其生成物更为复杂。

例2．对单质铁溶于稀硝酸的过程如下分析：

⑴当发生的反应为Fe+4HNO3(

=Fe(NO3)3+NO↑+2H2O时，n(HNO3)与

稀)

n(Fe)的大小关系为（n表示物质的量）。

⑵当n(HNO3)≤8/3n(Fe)时，发生反应的离子方程式为。

⑶当8/3n(Fe) < n(HNO3) <4n(Fe)时，发生的反应可表示为aFe+bHNO3(稀)= cNO↑+dFe(NO3)2+ eFe(NO3)3+fH2O。

①现假设a=16，且b、c、d、e、f均为正整数，可得到多组化学计量数（系

b=f(c ) ；d=f(a，c) 。

解析：此题围绕铁与稀硝酸的反应，设计了许多问题，但关键还必须根据恰好完全反应的点进行原理分析，根据电子守恒利用数学知识即可解答。本

=Fe(NO3)3+NO↑题涉及铁与稀硝酸反应的两个反应方程式：Fe+4HNO3(

稀)

+2H2O和3Fe+8HNO3(稀)=3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O，由这两个反应不难得到：

⑴当发生反应Fe+4HNO3(

=Fe(NO3)3+NO↑+2H2O时，硝酸要过量，

稀)

n(HNO3)与n(Fe)的大小关系为：n(HNO3) ≥4n(Fe)。

⑵当n(HNO3)≤8/3n(Fe)时，铁要过量，发生反应为：3Fe+8HNO3(稀)= 3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O，改为离子方程式为3Fe+8H++2NO3-=3Fe2++2NO↑+4H2O。

⑶①本题可采用极限思维法解题。根据电子得失守恒知，生成NO时所得电子总数必为3c，因为c为正整数，故转移电子总数一定是3的整数倍。因a=16，铁所失电子总数必在16×2~16×3之间，其间属于3的整数倍的有33、36、39、42、45五种，故还原产物NO的化学计量数c只可能为11、12、13、14、15五种取值。由原子守恒得如下关系式：d+e=a=16，b=c+2d+3e，b=2f ，由电子得失守恒得如下关系式：2d+3e=3c。由此不难推出b等其它计量数的值。

d=3（a-c）。

3．铁与硝酸反应出现多种产物的试题

铁与硝酸反应时铁可被氧化为Fe3+或Fe2+，硝酸可被还原为多种氮的氧化物。它们可同时存在于一个体系中，问题就会变得复杂。根据原子守恒、电荷守恒、电子得失守恒及极限的方法可以顺利解决这类问题。

例3．单质铁溶于一定浓度的硝酸中反应的化学方程式如下：

aFe+bNO3-+cH+=dFe2++fFe3++gNO↑+hN2O↑+kH2O(化学计量数均为正整数)，请你用已掌握的知识回答下列问题。

⑴①b、c、d、f的关系式是；②d、f、g、h的关系式是；③c、g、h的关系式是。

⑵若a=12，铁和硝酸全部完全反应，则b的取值范围是，c的取值范围是。

解析：①若要求b、c、d、f的关系，观察b、c、d、f 恰好是反应方程式中各种离子的化学计量数，根据电荷守恒得，c─b=2d+3f。

②若要求d、f、g、h的关系，观察d、f、g、h恰好是与电子得失有关四种产物的化学计量数，其中“dFe2++fFe3+”决定失电子总数，“gNO+hN2O”决定得电子总数，根据电子得失守恒得，2d+3f=3g+8h。

③若只从“cH+→gNO+ hN2O”去分析，似乎跟NO、N2O之间没有什么关系，但抓住“反应中H+全部转化为H2O”、“NO和N2O全部由NO3-转化而来”，必有“NO3-+4H+→NO+H2O”和“2NO3-+10H+→N2O+5H2O”，进而总结