Question

请教一道高一化学题。希望有解答

一组同学对铁和稀硝酸的反应进行探究。他们用a mol Fe和含有b mol HNO3的稀硝酸进行实验，若HNO3只被还原成NO，且反应结束后溶液中含有Fe3+和Fe2+。则b/a的取值范围是__________。若反应结束后的溶液中n(Fe3+):n(Fe2+)=2:1。则b/a的值为_________。

Answer 1

铁与硝酸的反应要理解为两步，因为硝酸氧化性强，铁被硝酸是氧化成三价铁，然后三价铁被铁单质还原成二价铁：
反应1： Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O
反应2：2Fe(NO3)3 + Fe = 3Fe(NO3)2

(1)如果产物只有Fe3+，则只发生反应1，n(Fe):n(HNO3) < 1:4
(2)如果产物只有Fe2+，则发生反应1后，也发生反应2。发生反应1时，n(Fe) = 0.25n(HNO3)，得到的Fe(NO3)3的物质的量：n[Fe(NO3)3] = n(Fe)。这些Fe(NO3)3发生反应2时，需要的铁至少要：0.5n[Fe(NO3)3]
即整个过程需要的铁的总的物质的量至少 = 0.25n(HNO3) + 0.5*0.25n(HNO3) = 0.375n(HNO3)
也就是说要全得到二价铁，那么参加反应的铁与硝酸的物质的量的比：
n(Fe):n(HNO3) > 0.375 : 1 = 3:8

综上，产物中要三价铁与二价铁都有的话，a/b的取值范围是：1/4 < a/b < 3/8
则，b/a的取值范围是：8/3 < b/a < 4

第二个空格：
参加反应1的硝酸为bmol，则参加反应1的铁为0.25bmol，得到的硝酸铁的物质的量也是0.25bmol。

代入反应2，设参加反应2的硝酸铁为xmol：
2Fe(NO3)3 + Fe = 3Fe(NO3)2
2 1 3
xmol =0.5xmol =1.5xmol
已知：n(Fe3+):n(Fe2+)=2:1
得：(0.25b - x) : 1.5x = 2:1
得：x = 0.0625b
也就说参加反应2的铁的物质的量是0.0625bmol。那么铁的总物质的量 = 0.25b + 0.0625b = 0.3125b
b/a = b / 0.3125b = 3.2

Answer 2

如果只含有Fe3 + ，则Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O，b/a = 4
如果只含有Fe2 + ，则3Fe + 8HNO3 = 3Fe(NO3)2 + 2NO + 4H2O，b/a = 8/3
实际情况是 反应结束后溶液中含有Fe3+ 和Fe2+ ，则b/a的取值范围是 8/3 ＜ b/a ＜ 4

对方程式进行变换。
Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O ①
3Fe + 8HNO3 = 3Fe(NO3)2 + 2NO + 4H2O ②
为了使n(Fe3+):n(Fe2+) = 2:1，只需要①× 6即可。
此时
6 Fe + 24 HNO3 = 6 Fe(NO3)3 + 6 NO + 12H2O ①
3Fe + 8HNO3 = 3Fe(NO3)2 + 2NO + 4H2O ②
所以 HNO3为 24+8 = 32 mol，Fe为 6+3 = 9 mol
b/a = 32/9
?

Answer 3

8/3-4
32/9
1.假如有Fe3+和Fe2+,则Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O，所以此时若a=1，则b<4,所以b/a<4
2.假如有Fe和Fe2+,则3Fe + 8HNO3 = 3Fe(NO3)2 + 2NO + 4H2O，同理b/a>8/3
这都是有着极限的思想，解题很有用的
3.Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
3Fe + 8HNO3 = 3Fe(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Fe+2Fe3+=3Fe2+
设有Fe2+为K,那么fe3+为2K,则a=3K,转化为Fe2+的Fe3+为8/3K,那么HNO3为32/3K
b/a=32/9

Answer 4