Question

文献记载，铁粉在稀硝酸中会放出氢气。某同学进行如下验证和对比实验。

实验I. 室温下 （20℃）， 在恒压密闭容器内放入过量铁粉和 2.0 mL 0.5 mol·L^–1 HNO₃，立即有气体生成。充分反应后，所得溶液几乎无色，收集到无色气体 6.0 mL。将该气体通入有空气的试管，无明显变化。点燃气体，有尖锐爆鸣声，试管壁出现液滴。取反应后溶液，加入足量 NaOH 溶液得到灰绿色沉淀。煮沸时，蒸气略有刺激性气味并能使湿润红色石蕊试纸变蓝。

（1）气体产物为氢气的证据是______________________ 。

（2）根据实验现象， 写出铁粉与 0.5 mol·L^–1 硝酸反应时还原反应的半反应方程式。① 2H⁺ + 2e^– = H₂↑； ②_____________ 。

（3）该同学对产生氢气的原因提出假设：

假设 1：该浓度的硝酸中 H⁺的氧化性大于NO₃^-；

假设 2： H⁺的还原速率大于NO₃^-的还原速率；

I. 验证假设 1：用____（Cu或Mg）粉与_____ 硝酸反应，说明假设1不成立。实验证据是______________________ 。

II. 验证假设 2： 改变条件重复实验 I，结果如下（气体成分和溶液成分检验的现象与实验 I 相似）。

序号	金属状态	反应温度	实验现象
a	铁粉	40℃	溶液略带黄色，气体 3.4 mL。
b	铁粉	60℃	黄色溶液，气体 2.6 mL。

①根据实验现象，你认为假设2是否成立？简述理由。__________________________

②试分析温度对铁粉与硝酸反应生成氢气体积的影响。__________________________

（4）改用 3 mol·L^–1 HNO₃与过量铁粉反应， 有无色气体生成， 溶液变为深棕色。气体接触空气显红棕色，不可燃。 根据以上结论解释生成还原产物的原因__________________________

（5）综上所述，金属与硝酸生成氢气，需要控制哪些条件？__________________________________

Answer

无色气体遇空气无明显变化。点燃气体，有尖锐爆鸣声，试管壁出现液滴 NO3-+ 10H+ 8e— = NH4 + 3H2O Cu 0.5mol·L-1 溶液变蓝， 同时没有氢气放出 不成立，实验现象没有说明两个反应哪个更快，即使 H的还原速率不大于NO3-的还原速率 也能得到氢气 很显然随着温度升高两个还原速率都在增大，但是，得到的氢气体积却在减少，所以说，NO3-的还原速率增大的更多 硝酸浓度增大，产物变为NO，还原速度剧增，远远大于 H的还原速率，以至于得不到氢气 降低硝酸浓度，低温

【解析】试题分析：（1）NO与空气反应生成红棕色NO2，不纯的氢气点燃，有尖锐爆鸣声，试管壁出现水；（2）向溶液中加入氢氧化钠煮沸时，蒸气略有刺激性气味并能使湿润红色石蕊试纸变蓝，说明有氨气放出，硝酸被铁还原为NH4；（3）I.金属Mg能置换出酸中的氢，铜不能置换出酸中的氢；要验证“该浓度的硝酸中 H+的氧化性大于NO3-”，需要控制硝酸的浓度相同；II. ①实验现象没有说明两个反应哪个更快，即使 H的还原速率不大于NO3-的还原速率 也能得到氢气；②随着温度升高两个还原速率都在增大，但是，得到的氢气体积却在减少，所以说，NO3-的还原速率增大的更多；（4）硝酸浓度增大，产物变为NO，NO3-还原速度剧增；（5）硝酸浓度越小、温度越低越易生成氢气；

解析：（1）气体产物为氢气的证据是：无色气体遇空气无明显变化；点燃气体，有尖锐爆鸣声，试管壁出现液滴；（2）向溶液中加入氢氧化钠煮沸时，蒸气略有刺激性气味并能使湿润红色石蕊试纸变蓝，说明有氨气放出，硝酸被铁还原为NH4，反应离子方程式是NO3-+ 10H+ 8e— = NH4 + 3H2O；（3）I.金属Mg能置换出酸中的氢，铜不能置换出酸中的氢；要验证“该浓度的硝酸中 H+的氧化性大于NO3-”，需要控制硝酸的浓度相同；所以用Cu粉与0.5mol·L-1硝酸反应，溶液变蓝，没有氢气放出，说明假设1不成立。II. 实验现象没有说明两个反应哪个更快，即使 H的还原速率不大于NO3-的还原速率 也能得到氢气，所以根据实验现象，假设2不成立；②随着温度升高两个还原速率都在增大，但是得到的氢气体积却在减少，所以说，升高温度NO3-的还原速率增大的更多；（4）硝酸浓度增大，产物变为NO，还原速度剧增，远远大于 H的还原速率，以至于得不到氢气；（5）金属与硝酸生成氢气，需要降低硝酸浓度，低温。