Question

【題目】室溫下(20oC))課外小組用下列裝置探究鐵和硝酸反應情況，過程如下圖所示：

將Ⅲ中液面上的氣體排入小試管中點燃，有尖銳爆鳴聲，小試管壁出現液滴。取反應后溶液，加入足量NaOH 溶液得到灰綠色沉淀。煮沸時，蒸氣帶有刺激性氣味并能使濕潤紅色石蕊試紙變藍。

(1)X氣體是______ (填化學式)，證據是________。

(2)實驗中硝酸被還原成另一種產物的化學方程式_____。

(3)甲同學對產生的氣體原因提出假設并設計方案：

假設1：該濃度的硝酸中H+的氧化性大于NO3-

假設2：H+還原反應速率大于NO3-的還原反應速率

I. 驗證假設1：可用____(選 “ Cu” 或“Zn”)粉與同濃度硝酸反應，依據 ____________ ，則假設1不成立。

II. 驗證假設2：改變條件重復上圖過程實驗，結果如下：(所用試劑的量、氣體成分與實驗上圖相同)

序號	反應溫度	實驗結果
a	40oC	溶液淺綠色，收集氣體為3.4mL
b	60oC	溶液淺綠色，收集氣體為2.6mL

上表實驗結果_____(填“能”或“否”)判斷假設2成立。由實驗數據結果分析溫度對鐵粉與硝酸反應時對生成X體積的影響的原因___________。

(4)常溫下(20℃)，乙同學改用3mol·L–1 HNO3 進行圖1過程實驗，Ⅱ中仍為無色氣體，在Ⅲ中氣體變紅色。由此得出的相關結論正確的是______ 。

a. 該實驗產生的無色氣體只有NO

b. 若改用濃硝酸時，反應會更劇烈還原產物為NO2

c. 硝酸的濃度不同時，其主要還原產物不同

(5)綜上所述，金屬與硝酸生成X氣體，需要控制的條件是___________ 。

Answer 1

【答案】H2 點燃有尖銳爆鳴聲試管內壁有液滴 4Fe + 10HNO3 = 4Fe(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O Cu 溶液變藍 否 升高溫度，H+和NO3-參與的還原反應速率都加快，但NO3-增加更快，生成的NH4+多，導致生成的H2減少 c 稀溶液、低溫、氫以前的金屬

【解析】

由圖可知，過量鐵粉和稀硝酸完全反應生成無色氣體，和空氣混合仍為無色，說明沒有NO，點燃該氣體，有尖銳爆鳴聲，小試管壁出現液滴，說明該氣體為氫氣。取反應后溶液，加入足量NaOH 溶液得到灰綠色沉淀,說明溶液中含有Fe2+。煮沸時，蒸氣帶有刺激性氣味并能使濕潤紅色石蕊試紙變藍，說明溶液中含有NH4+。

由圖可知，過量鐵粉和稀硝酸完全反應生成無色氣體，和空氣混合仍為無色，說明沒有NO，點燃該氣體，有尖銳爆鳴聲，小試管壁出現液滴，說明該氣體為氫氣。取反應后溶液，加入足量NaOH 溶液得到灰綠色沉淀,說明溶液中含有Fe2+。煮沸時，蒸氣帶有刺激性氣味并能使濕潤紅色石蕊試紙變藍，說明溶液中含有NH4+。

(1)根據以上分析X氣體應該是H2，證據是點燃有尖銳爆鳴聲試管內壁有液滴，

故答案為：H2 ；點燃有尖銳爆鳴聲試管內壁有液滴；

(2) 反應后溶液中含有Fe2+、NH4+，說明鐵和硝酸發生氧化還原反應，鐵過量生成Fe2+,同時硝酸被還原為NH4+，反應的化學方程式為4Fe + 10HNO3 = 4Fe(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O，

故答案為：4Fe + 10HNO3 = 4Fe(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O；

(3)銅排在金屬活動順序表氫的后面，所以銅和H+不反應，因此若要證明假設1不成立，則可選用Cu粉與同濃度硝酸反應，若溶液變藍則證明假設1不成立。

對比a、b兩次實驗，其它條件相同，溫度不同，且溫度升高，產生的氫氣體積反而減小，其原因為升高溫度，H+和NO3-參與的還原反應速率都加快，但NO3-增加更快，生成的NH4+多，導致生成的H2減少，因此不能說明H+還原反應速率大于NO3-的還原反應速率，即不能判斷假設2成立。

故答案為：Cu；溶液變藍；否；升高溫度，H+和NO3-參與的還原反應速率都加快，但NO3-增加更快，生成的NH4+多，導致生成的H2減少；

(4) a. 改用3mol·L–1 HNO3，硝酸濃度增大，Ⅱ中仍為無色氣體，在Ⅲ中氣體變紅色，為無色的NO被氧化為紅棕色的NO2,該實驗產生的無色氣體含有NO，不排除含有H2，故a錯誤；

b. 若改用濃硝酸時，在常溫下鐵與濃硝酸發生鈍化，故b錯誤；

c. 由實驗結果可知，硝酸的濃度不同時，其主要還原產物不同，故c正確。

故答案為：c；

(5)由實驗可知，硝酸濃度增大，產物變為NO，還原速度劇增，遠遠大于 H+的還原速率，以至于得不到氫氣，若要金屬與硝酸反應生成H2，則需要控制的條件是稀溶液、低溫、氫以前的金屬，

故答案為：稀溶液、低溫、氫以前的金屬。