探究硝酸与金属反应的产物及其影响因素
作者：庞毅华等 文章来源：《广州市中学生“我与化学”活动论文选编》 点击数： 2789 更新时间：
2006-11-1
庞毅华 肖健 郭嘉杰 梁颖銮 龙彪
一、课题的提出
在高中的化学练习中经常会出现讨论氧化还原反应中氧化产物和还原产物价态的问题。然而理论的计算和实际的反应有没有差别呢? 氧化还原反应中产物的价态究竟是由什么决定的呢? 我们以氮元素的重要化合物硝酸与金属的反应为对象，通过反应条件的设置和对产物的鉴别，对此问题进行研究。
硝酸和金属的反应是高中阶段比较复杂的，较难掌握的内容，也涉及到化学反应的速率、化学平衡、氧化还原等基本理论。对本课题的研究，不仅能提高我们对这些理论知识的理解和运用能力，更能对我们的实验操作能力产生很大的益处。
二、理论分析
硝酸与金属的反应是相当复杂的。在这类氧化——还原反应中，包括许多平行反应，因此，可以得到多种还原产物，而且在还原产物之间还进行氧化——还原反应。考虑到这些反应的生成物和产物之间可以互相转化；类似于可逆反应，我们想到对产物的影响因素应该和影响化学平衡的条件是类似的。首先我们想到了浓度。据我们掌握的资料，浓硝酸的氧化性比稀硝酸强得多，是因为浓硝酸中主要存在HNO3分子，稀硝酸中主要存在硝酸根离子。由于硝酸分子是平面不对称结构，而硝酸根离子是平面对称结构，因此，浓硝酸具有较强氧化性。这种差别决定了还原产物的价态。所以我们认为硝酸的浓度对反应的还原产物有一定的影响。 与之相反，我们又想到了还原剂的还原性强弱同样会影响还原产物的价态，因为还原剂越强，它失电子的能力越强，对应来说，氧化剂越易被还原，其对应的还原产物的价态越低。当然，这种变化是以同种氧化剂为基础的。
接着我们想到的是外部条件。首先是温度，我们知道，在温度越高的情况下，氧化剂的氧化性越强，越易进一步发生氧化还原反应。譬如说：
MnO2+4HCl(浓）=MnCl2+Cl2↑+2H2O
此反应就必须在加热情况下才发生，所以温度对氧化还原反应也是有一定影响的。
其他因素包括压强和催化剂，我们认为是没影响的。因为反应是与外界大气相通的，所以应该是恒压体系，压强是对产物没直接作用的。催化剂只能影响可逆反应到达平衡的时间，而不能影响平衡的移动，所以也是没影响的。
三、实验探究
“实践是检验真理的唯一标准”，我们做了以下实验。
1.实验准备
试剂：浓硝酸(15mol／L) 、稀硝酸(5mol／L) 、极稀硝酸(0.5mol／L) 、镁条、铜片、FeSO4溶液、KSCN 溶液(1mol／L) 、KMnO 4溶液、碘汞化钾(K2HgI 4) 的碱溶液。
仪器：简易启普发生器、导管、洗气瓶、水槽、量筒、止水夹、容量瓶。
2.实验原理
NO能与亚铁离子加合，生成棕色的［Fe(NO)］2+离子
FeSO4+NO＝［Fe(NO)］SO 4
而NO 2溶于水生成稀硝酸，稀硝酸能氧化亚铁离子生成铁离子，铁离子能与KSCN(aq)反应生成血红色的Fe(SCN)3。因此如果生成气体中有NO, 那么装FeSO 4溶液和KSCN 溶液的洗气瓶内会变棕色，如果有NO 2，那么会有红色出现。
NO与NO 2都具有还原性，遇到强氧化剂例如KMnO 4就会发生如下反应：
10NO+6KMnO4+9H2SO 4＝6MnSO 4+10HNO3+3K2SO 4+4H2O
5NO2+KMnO4+H2O＝Mn(NO3) 2+KNO3+2HNO3
因此，可以用KMnO 4溶液作为氮氧化物的吸收剂并可观察吸收的量。
如果经过这两个步骤，仍然有剩余气体则说明硝酸与金属反应的还原产物，就不是只有NO 与NO 2两种气体了。
而我们在发生器内加入铵试剂的目的，是为了检验反应是否有铵根离子的出现，亦即+5价的氮会不会被氧化成-3价。
3. 有关链接
当铵离子很少时要用铵试剂检验，它是碘汞化钾(K2HgI4)的碱溶液跟铵离子反应会生成黄色沉淀，铵离子多时，生成红棕色沉淀。
配制方法：把11.5克碘化汞和8克碘化钾溶于水中，配成50毫升溶液。加5％氢氧化钾50毫升，混合均匀，静置过夜。待微红色的沉淀下降后，倾出清液，就是铵试剂，贮于棕色瓶中备用。
4.实验记录
②
四、进一步讨论
但是我们能想到根据以上现象，不是能说明稀硝酸的氧化性比浓硝酸强吗? 但事实上这是不可能的，我们曾经做过一个实验：分别向浓、稀硝酸中滴入甲基橙试剂，两者都变红色，说明硝酸是强酸。再把两者加热，浓硝酸颜色变黄，而稀硝酸仍然是红色，这说明浓硝酸氧化性比稀硝酸强，能使有机色素氧化褪色。那为什么对于同一种还原剂来说，硝酸越稀，被还原的程度越大呢?
一般地说，硝酸最初的还原产物是亚硝酸(HNO2) ，但亚硝酸不稳定，容易发生歧化反应，生成NO 和NO 2：
2HNO2＝NO 2+NO+H2O
而NO 、NO 2与HNO 3之间存在着下列平衡：
3NO2+H2O ＝2HNO 3+NO+Q
浓硝酸与金属反应时，最初可能生成NO ，但由于硝酸浓度很大而且反应放出大量的热，使平衡强烈地向左移动，所以，主要产物为NO2；当稀硝酸与金属反应时，由于硝酸浓度小，平衡向右移动，主要产物为NO 。因此我们不能简单地就浓、稀硝酸的还原产物来解释浓、稀硝酸氧化能力的强弱。
硝酸与金属发生的氧化还原反应比较复杂，其反应机理至今还不是十分清楚。至于硝酸在什么浓度下与某一金属发生什么样的反应，还原产物是什么也没有肯定的截然界限。但对于同一还原剂来说，在其他条件相同下，硝酸越稀，则被还原的程度越大。浓硝酸(12mol／L ～16mol ／L) 被还原产物主要是NO2，稀硝酸(6mol／L ～8mol ／L) 被还原产物主要是NO ，2mol ／L HNO3主要生成N2O ，而更稀的硝酸(1mol／L) 则被还原成NH3，NH3与硝酸反应生成了硝酸铵。而反应温度对硝酸的还原产物也有影响。温度越高，硝酸的氧化能力越强，在还原产物中N 的价态越高。
五、硝酸跟金属反应的一般规律
(1)在金属活动性顺序中，位于氢后面的金属如铜、汞、银等，跟硝酸反应时，主要得到NO2，跟稀硝酸反应时，主要得到NO 。
(2)铁、铝等金属跟浓硝酸在常温下不起反应，这是由于金属表面覆盖一层致密金属氧化膜，发生“钝化”阻止反应发生。这些金属与稀硝酸作用主要生成N2O 。如果与更稀的硝酸反应则生成氨。
探究硝酸与金属反应的产物及其影响因素
作者：庞毅华等 文章来源：《广州市中学生“我与化学”活动论文选编》 点击数： 2789 更新时间：
2006-11-1
庞毅华 肖健 郭嘉杰 梁颖銮 龙彪
一、课题的提出
在高中的化学练习中经常会出现讨论氧化还原反应中氧化产物和还原产物价态的问题。然而理论的计算和实际的反应有没有差别呢? 氧化还原反应中产物的价态究竟是由什么决定的呢? 我们以氮元素的重要化合物硝酸与金属的反应为对象，通过反应条件的设置和对产物的鉴别，对此问题进行研究。
硝酸和金属的反应是高中阶段比较复杂的，较难掌握的内容，也涉及到化学反应的速率、化学平衡、氧化还原等基本理论。对本课题的研究，不仅能提高我们对这些理论知识的理解和运用能力，更能对我们的实验操作能力产生很大的益处。
二、理论分析
硝酸与金属的反应是相当复杂的。在这类氧化——还原反应中，包括许多平行反应，因此，可以得到多种还原产物，而且在还原产物之间还进行氧化——还原反应。考虑到这些反应的生成物和产物之间可以互相转化；类似于可逆反应，我们想到对产物的影响因素应该和影响化学平衡的条件是类似的。首先我们想到了浓度。据我们掌握的资料，浓硝酸的氧化性比稀硝酸强得多，是因为浓硝酸中主要存在HNO3分子，稀硝酸中主要存在硝酸根离子。由于硝酸分子是平面不对称结构，而硝酸根离子是平面对称结构，因此，浓硝酸具有较强氧化性。这种差别决定了还原产物的价态。所以我们认为硝酸的浓度对反应的还原产物有一定的影响。 与之相反，我们又想到了还原剂的还原性强弱同样会影响还原产物的价态，因为还原剂越强，它失电子的能力越强，对应来说，氧化剂越易被还原，其对应的还原产物的价态越低。当然，这种变化是以同种氧化剂为基础的。
接着我们想到的是外部条件。首先是温度，我们知道，在温度越高的情况下，氧化剂的氧化性越强，越易进一步发生氧化还原反应。譬如说：
MnO2+4HCl(浓）=MnCl2+Cl2↑+2H2O
此反应就必须在加热情况下才发生，所以温度对氧化还原反应也是有一定影响的。
其他因素包括压强和催化剂，我们认为是没影响的。因为反应是与外界大气相通的，所以应该是恒压体系，压强是对产物没直接作用的。催化剂只能影响可逆反应到达平衡的时间，而不能影响平衡的移动，所以也是没影响的。
三、实验探究
“实践是检验真理的唯一标准”，我们做了以下实验。
1.实验准备
试剂：浓硝酸(15mol／L) 、稀硝酸(5mol／L) 、极稀硝酸(0.5mol／L) 、镁条、铜片、FeSO4溶液、KSCN 溶液(1mol／L) 、KMnO 4溶液、碘汞化钾(K2HgI 4) 的碱溶液。
仪器：简易启普发生器、导管、洗气瓶、水槽、量筒、止水夹、容量瓶。
2.实验原理
NO能与亚铁离子加合，生成棕色的［Fe(NO)］2+离子
FeSO4+NO＝［Fe(NO)］SO 4
而NO 2溶于水生成稀硝酸，稀硝酸能氧化亚铁离子生成铁离子，铁离子能与KSCN(aq)反应生成血红色的Fe(SCN)3。因此如果生成气体中有NO, 那么装FeSO 4溶液和KSCN 溶液的洗气瓶内会变棕色，如果有NO 2，那么会有红色出现。
NO与NO 2都具有还原性，遇到强氧化剂例如KMnO 4就会发生如下反应：
10NO+6KMnO4+9H2SO 4＝6MnSO 4+10HNO3+3K2SO 4+4H2O
5NO2+KMnO4+H2O＝Mn(NO3) 2+KNO3+2HNO3
因此，可以用KMnO 4溶液作为氮氧化物的吸收剂并可观察吸收的量。
如果经过这两个步骤，仍然有剩余气体则说明硝酸与金属反应的还原产物，就不是只有NO 与NO 2两种气体了。
而我们在发生器内加入铵试剂的目的，是为了检验反应是否有铵根离子的出现，亦即+5价的氮会不会被氧化成-3价。
3. 有关链接
当铵离子很少时要用铵试剂检验，它是碘汞化钾(K2HgI4)的碱溶液跟铵离子反应会生成黄色沉淀，铵离子多时，生成红棕色沉淀。
配制方法：把11.5克碘化汞和8克碘化钾溶于水中，配成50毫升溶液。加5％氢氧化钾50毫升，混合均匀，静置过夜。待微红色的沉淀下降后，倾出清液，就是铵试剂，贮于棕色瓶中备用。
4.实验记录
②
四、进一步讨论
但是我们能想到根据以上现象，不是能说明稀硝酸的氧化性比浓硝酸强吗? 但事实上这是不可能的，我们曾经做过一个实验：分别向浓、稀硝酸中滴入甲基橙试剂，两者都变红色，说明硝酸是强酸。再把两者加热，浓硝酸颜色变黄，而稀硝酸仍然是红色，这说明浓硝酸氧化性比稀硝酸强，能使有机色素氧化褪色。那为什么对于同一种还原剂来说，硝酸越稀，被还原的程度越大呢?
一般地说，硝酸最初的还原产物是亚硝酸(HNO2) ，但亚硝酸不稳定，容易发生歧化反应，生成NO 和NO 2：
2HNO2＝NO 2+NO+H2O
而NO 、NO 2与HNO 3之间存在着下列平衡：
3NO2+H2O ＝2HNO 3+NO+Q
浓硝酸与金属反应时，最初可能生成NO ，但由于硝酸浓度很大而且反应放出大量的热，使平衡强烈地向左移动，所以，主要产物为NO2；当稀硝酸与金属反应时，由于硝酸浓度小，平衡向右移动，主要产物为NO 。因此我们不能简单地就浓、稀硝酸的还原产物来解释浓、稀硝酸氧化能力的强弱。
硝酸与金属发生的氧化还原反应比较复杂，其反应机理至今还不是十分清楚。至于硝酸在什么浓度下与某一金属发生什么样的反应，还原产物是什么也没有肯定的截然界限。但对于同一还原剂来说，在其他条件相同下，硝酸越稀，则被还原的程度越大。浓硝酸(12mol／L ～16mol ／L) 被还原产物主要是NO2，稀硝酸(6mol／L ～8mol ／L) 被还原产物主要是NO ，2mol ／L HNO3主要生成N2O ，而更稀的硝酸(1mol／L) 则被还原成NH3，NH3与硝酸反应生成了硝酸铵。而反应温度对硝酸的还原产物也有影响。温度越高，硝酸的氧化能力越强，在还原产物中N 的价态越高。
五、硝酸跟金属反应的一般规律
(1)在金属活动性顺序中，位于氢后面的金属如铜、汞、银等，跟硝酸反应时，主要得到NO2，跟稀硝酸反应时，主要得到NO 。
(2)铁、铝等金属跟浓硝酸在常温下不起反应，这是由于金属表面覆盖一层致密金属氧化膜，发生“钝化”阻止反应发生。这些金属与稀硝酸作用主要生成N2O 。如果与更稀的硝酸反应则生成氨。