【抓住规律破解金属及其化合物计算问题】 金属化合物包括哪些

　　 钠、铝、铁、铜及其化合物是重要的元素化合物知识，也是考查基本理论和概念的重要知识载体。其中，钠及其化合物(特别是Na2O2、NaHCO3、Na2CO3)的性质、铝及其化合物的两性、Fe2+与Fe3+之间的转化关系、合金与硝酸的反应、铜的冶炼及Cu(OH)2的性质更是高考的热点。
　　
　　
　　 一、电子守恒法的妙用
　　 金属元素在化合物中只显正价，因而金属单质与其他物质的反应都是氧化还原反应，也是金属失去电子被氧化的过程。在求算金属与酸、碱等物质的反应的相关量时，如果能抓住反应的本质――电子守恒，则可简化过程，减少计算量，提高解题速度和准确率。
　　 电子守恒是指在氧化还原反应过程中，还原剂失去的电子数=氧化剂得到的电子数；利用这一原理，既可配平氧化还原方程式，又可进行化学计算。
　　 例1 将一定质量的镁、铜合金加入到稀硝酸中，两者恰好完全反应，假设反应过程中还原产物全部是NO，向所得溶液中加入物质的量浓度为3mol/L NaOH溶液至沉淀完全，测得生成沉淀的质量比原合金的质量增加5.1g，则下列有关叙述中正确的是( )
　　 A.加入合金的质量不可能为6.4g
　　 B.溶解合金时收集到NO气体的体积为2.24L
　　 C.沉淀完全时消耗NaOH溶液的体积为150mL
　　 D.参加反应的硝酸的物质的量为0.1mol
　　 【解析】分析题意，镁、铜合金都与硝酸反应，根据反应中电子得失守恒，金属失电子的物质的量等于OH-的物质的量，所以n(e-)=n(OH-)=5.1g÷17g・mol-1=0.3mol。在反应中1molMg或Cu均失去2mol电子，如果全部是铜，则m(Cu)=0.3mol/2×64g・mol-1=9.6g；全部是镁，则m(Mg)=0.3mol/2×24g・mol-1=3.6g。则合金的质量在3.6~9.6g之间，A项错误。反应中，HNO3中+5价的N被还原成+2价的N，得到的电子数等于金属失去的电子数，可得V(NO)=0.3mol3×22.4L・mol-1=2.24L，B正确。反应中消耗V(NaOH)=0.3mol/3mol・L-1=0.1L=100mL，C项错误。反应中参加反应的硝酸的物质的量n(HNO3)=0.3mol+0.1mol=0.4mol，故D项错误。
　　 【答案】B
　　 例2 两种金属粉末的混合物15g，投入到足量的稀盐酸中，得到5.6L氢气（标准状况下），则这种混合物可能是（ ）
　　 A.镁和铁B.镁和铝
　　 C.铁和锌D.钠和镁
　　 【解析1】根据方程式，可得金属与产生H2之间的关系：Mg~H2、Fe~H2、2Al~3H2、Zn~H2、2Na~H2。反应中生成n(H2)=5.6L22.4L・mol-1=0.25mol，消耗金属的质量分别为：m(Mg)=24g・mol-1×0.25mol=6g、m(Fe)=56g・mol-1×0.25mol=14g、m(Al)=27g・mol-1×0.53mol=4.5g、m(Zn)=65g・mol-1×0.25mol=16.25g、m(Na)=23g・mol-1×0.5mol=11.5g。
　　 四个选项中求得金属的质量一个大于15g、一个小于15g，则该选项符合题意；如果两种金属质量均大于或均小于15g，则不符合题意。
　　 上述五种金属与足量的酸反应，产生5.6LH2消耗金属的质量大于15g的只有Zn，其余四种均小于15g，故Na、Mg、Al、Fe必须和Zn组合才符合要求，所以C项正确。
　　 用上述方法求解，需要根据方程式找出金属与氢气之间的关系，分别求出各金属的质量，最后得出结论。这种方法计算量大，容易出错，如果我们利用“平均摩尔电子质量”，则可减少计算量，提高解题速度。
　　 【解析2】通过分析，发现金属与酸的反应中金属失去电子、氢离子得到电子，且二者得失电子相等。我们可根据氢气的量，得出氢离子得到的电子数，从而求出金属失去的电子数。
　　 由n(H2)=5.6L22.4L・mol-1=0.25mol，金属失去电子的物质的量：n(e-)=n(H+)=2×n(H2)=0.5mol，即15g金属混合物失去了0.5mole-，则失去1mol电子，需要金属30g。
　　 失去1mol电子消耗金属的质量称为摩尔电子质量，如用M表示摩尔电子质量，则M=金属的相对原子质量金属表现出的化合价。对混合金属来说，失去1mol电子消耗的金属的质量，就叫做“平均摩尔电子质量”。
　　 利用上述方法，可得钠、镁、铝、锌、铁的“摩尔电子质量”分别为23、12、9、32.5、28。如某个选项中，两种金属的摩尔电子质量，一种小于30、一种大于30，则符合题意；如两种金属的摩尔电子质量均大于30或均小于30，则不符合题意。通过分析发现，C选项中铁、锌的摩尔电子质量分别为28、32.5，符合题目要求，故选项C正确。
　　 运用“平均摩尔电子质量”法，可以快速求解混合金属与酸反应的一类题目，方法简便，容易掌握。
　　 【答案】C
　　 【跟踪训练】
　　 1.将铝粉与Fe3O4粉末配制成铝热剂，分成三等份。①一份直接放入足量的烧碱溶液中，充分反应后，放出的气体在标准状况下的体积为V1；②一份在高温下恰好反应完全，反应后的混合物与足量的盐酸反应后，放出的气体在标准状况下的体积为V2；③一份直接放入足量的盐酸中，充分反应后，放出的气体在标准状况下的体积为V3。下列说法正确的是( )
　　 A．V1=V3＞V2B．V2＞V1=V3
　　 C．V1=V2＞V3D．V1＞V3＞V2
　　 2.将铁粉5.21g溶于过量的稀H2SO4中，在加热下用2.53gKNO3去氧化溶液中的Fe2+，待反应完全后，剩余的Fe2+尚需12.00mL0.3mol・L-1的KMnO4溶液方能完全氧化(MnO-4→Mn2+)。则KNO3的还原产物为（ ）
　　 A．NO2B．NO
　　 C．KNO2D．无法确定
　　 3.等质量的氯气与下列金属完全反应时，消耗金属质量最小的是（ ）
　　 A．钠B．镁C．铝D．铁
　　 二、剖析过氧化钠与水、二氧化碳的反应规律
　　 过氧化钠可以与二氧化碳、水发生反应，在反应过程中涉及固体质量和气体体积的变化及产物的判断等问题，再加上试题考查角度灵活多变，题型多样，自然也就成了学习的难点和高考的热点。
　　 要突破过氧化钠与水、二氧化碳反应的难点，在学习中一定要深入思考，善于从试题中分析总结解题规律和技巧，灵活掌握知识间的内在联系，把握反应的实质，巧妙运用反应的关系，才能优化解题过程，简化中间步骤，减少出错几率。
　　 例3 在密闭的容器中充入CO2、HCHO、CH4的混合气体共mg，如果加入足量的Na2O2，充分振荡并不断用电火花引燃至反应完全，测得固体的质量增加mg，则混合气体的平均摩尔质量为( )
　　 A.28g・mol-1B.30g・mol-1
　　 C.38g・mol-1D.42g・mol-1
　　 【思路分析】解题时如果想先求算出HCHO、CH4在O2中燃烧产生的CO2和H2O(g)的量，然后再考虑CO2和H2O(g)与过氧化钠反应，则问题分析进入死胡同，因为不知道mg混合气体中HCHO和CH4的量，计算无法进行。
　　 如果我们仔细分析CO2和H2O(g)与Na2O2的反应，总结出解题的方法和技巧，则会简化运算过程，使问题分析走出迷局，迎来柳暗花明。
　　 【解析】根据过氧化钠与二氧化碳、水反应的化学方程式，分析有关计算的一般规律：
　　 2Na2O2+2H2O4NaOH+O2
　　(a)
　　 2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2
　　
　　(b)
　　 在这两个反应中，对Na2O2固体而言，在反应（a）中，Na2O2增重的质量实际是H2O中H的质量，其结果可看作：Na2O2+H2O2电火花2NaOH；在反应（b）中，Na2O2增重的质量实际是2CO2-O2即2CO的质量，其结果可看作：Na2O2+COO2电火花Na2CO3。
　　 因为固体增加质量=气体质量，说明混合气体总的组成应符合通式(CO)m（H2）n。HCHO符合(CO)m（H2）n，需将CH4和CO2设计成符合(CO)m（H2）n，则n(CO2)∶n(CH4)=1∶1。这两种气体的平均摩尔质量恰好等于甲醛的摩尔质量30g・mol-1，故混合气体的平均摩尔质量为30g・mol-1，B项正确。
　　 【答案】B
　　 规律1.分子组成符合(CO)m（H2）n的物质燃烧后与Na2O2反应的增重问题
　　 过氧化钠在一定条件下可以与二氧化碳、水发生反应，反应的方程式分别为：
　　 2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2
　　
　　①
　　 2Na2O2+2H2O4NaOH+O2↑
　　
　　②
　　 在上述两个反应中，对Na2O2而言，根据原子守恒，在反应①中，Na2O2增加的质量实际上是2CO2-O2即2molCO的质量。则1molNa2O2~1molCO，其结果可看作：Na2O2+CONa2CO3。
　　 在反应②中，Na2O2增加的质量实际上是H2O中H的质量，根据2molNa2O2~4H，其结果可看作：Na2O2+H22NaOH。
　　 根据上述分析，可以得出以下结论：
　　 （1）CO或H2的燃烧产物CO2或H2O通过Na2O2，可以看成CO或H2直接与Na2O2反应，所以固体质量的增加值就是参加反应的CO或H2的质量。
　　 （2）凡是分子组成符合(CO)m（H2）n形式的一种或几种物质，wg该物质在O2中完全燃烧，将其产物(CO2和水蒸气)通过足量的Na2O2后，Na2O2固体增重的质量必为wg。
　　 中学阶段常见的符合这一关系的物质有：①无机物，H2、CO及H2和CO的混合气体。②有机物，CH3OH、HCHO、CH3COOH、HCOOCH3、CH3CH(OH)COOH(乳酸)、C6H12O6(葡萄糖)等。
　　 规律2.Na2O2与CO2、H2O(g)反应的差量问题
　　 （1）CO2、H2O(g)与过量的Na2O2反应，所得O2为同况下CO2、H2O(g)体积的一半。
　　 （2）将Na2O2粉末加入H2O(l)中，根据反应2Na2O2+2H2O4NaOH+O2↑，会发现加入2molNa2O2会生成1molO2，相当于直接加入2molNa2O，即液体增加的质量等于同“物质的量”的Na2O的质量。
　　 根据CO2或H2O与Na2O2反应的化学方程式，利用质量差量或体积差量进行计算，可以简化运算过程，减少出错几率，提高解题速度。
　　 例4 过氧化钠可作为氧气的来源。常温常压下二氧化碳和过氧化钠反应后，若固体质量增加了28g，反应中有关物质的物理量正确的是(NA表示阿伏加德罗常数)（ ）
　　 二氧化碳 碳酸钠 转移的电子
　　A 1mol NA
　　B 22.4L 1mol
　　C 106g 1mol
　　D 106g 2NA
　　 【解析】根据反应2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2，设有xg过氧化钠参加反应，则有：
　　 2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2 Δ m
　　1568821232212-156=56
　　xg 28g
　　
　　
　　 15656=xg28g，解得：x=78，即有1molNa2O2和1molCO2参加反应。
　　 根据反应可知转移的电子数为NA，A、C项正确。常温常压下1molCO2的体积不是22.4L，故B项错误。在反应中有106gNa2CO3生成，转移的电子数为NA，D项错误。
　　 【答案】AC
　　 规律3.Na2O2与CO2、H2O(g)反应的先后问题
　　 Na2O2与H2O和CO2的混合气体反应时，应看成Na2O2先与CO2反应生成Na2CO3，而后多余的Na2O2再与H2O反应生成NaOH。若顺序倒过来，先与H2O反应生成NaOH，NaOH与CO2还会反应，问题就变复杂化了。
　　 例5 将mmol的NaHCO3和nmol的Na2O2固体混合物置于密闭容器中加热到250℃，使其充分反应，最终剩余的气体和残余固体混合物均由两种物质组成，试完成下列问题。
　　 （1）最后剩余的气体由什么组成？
　　 （2）计算和分析mn的数值范围。
　　 【解析】首先发生反应2NaHCO3△Na2CO3+CO2↑+H2O↑，产生n(CO2)=n(H2O)=m2mol。产生的CO2和水蒸气再与过氧化钠反应，当Na2O2与CO2和H2O（g）的混合气体反应时，优先考虑与CO2的反应，再考虑与H2O（g）的反应。即：2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2①、2Na2O2+2H2O4NaOH+O2↑②。
　　 当mn≥2时，生成的CO2和H2O(g)只发生反应①，固体为Na2CO3，气体为O2和H2O(g)；
　　 当1＜mn＜2时，生成的CO2和H2O(g)发生反应①和②，但H2O(g)部分消耗，最后固体为Na2CO3和NaOH，气体为O2和H2O(g)；
　　 当1=mn时，生成的CO2和H2O(g)恰好发生反应①和②，固体为Na2CO3和NaOH，气体为O2；
　　 当mn＜1时，生成的CO2和H2O(g)发生反应①和②后，剩余Na2O2，最后固体为Na2O2、Na2CO3和NaOH，气体为O2。
　　 题目要求最后生成的气体和残余固体混合物均由两种物质组成，即1＜mn＜2，分解生成的CO2气体已全部与Na2O2反应消耗尽,H2O（g）部分消耗，故最后剩余的气体为H2O(g)和O2。
　　 【答案】（1）H2O(g)、O2 （2）1＜mn＜2
　　 规律4.Na2O2与CO2和H2O(g)的混合气体反应后固体产物的判断
　　 根据反应方程式：2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2、2Na2O2+2H2O4NaOH+O2↑，结合反应的先后顺序：CO2先反应，H2O后反应。我们可以推知Na2O2与CO2和H2O(g)的混合气体反应后固体产物的成分：①当n(CO2)≥n(Na2O2)，固体产物为Na2CO3；②当n(CO2)＜n(Na2O2)，固体产物为Na2CO3和NaOH。
　　 例6 将O2、CH4、Na2O2放入密闭容器中，在150℃条件下用电火花引发反应，恰好完全反应后，容器中的压强为零，由此得出原O2、CH4、Na2O2的物质的量之比为（ ）
　　 A．1∶1∶1B．2∶2∶6
　　 C．1∶2∶6D．无法确定
　　 【解析】由题意知，三种物质完全反应后压强为零，说明最终生成Na2CO3和NaOH。根据凡是分子组成符合(CO)m（H2）n形式的一种或几种物质的混合物与足量过氧化钠反应，增重的质量等于混合物的质量的规律，要使O2和CH4的组成符合(CO)m（H2）n形式，则必须n(O2)∶n(CH4)=1∶2。我们可以假设1molO2、2molCH4与nmolNa2O2反应：2CH4+O2+Na2O2Na2CO3+NaOH，然后根据质量守恒，由氢守恒确定NaOH的系数为8，由碳守恒确定Na2CO3的系数为2，最后配平O2的系数，即可得出下列反应方程式：2CH4+O2+6Na2O22Na2CO3+8NaOH。
　　 【答案】C
　　 【跟踪训练】
　　 4.取ag某物质在氧气中完全燃烧，将其产物跟足量的过氧化钠固体完全反应，反应后固体的质量恰好也增加了ag。下列物质中不能满足上述结果的是（ ）
　　 A．H2B．CO
　　 C．C6H12O6D．C12H22O11
　　 5.1mol过氧化钠和2mol碳酸氢钠固体混合后，在密闭容器中加热充分反应后，排出气体物质后冷却，残留的固体物质是（ ）
　　 A．Na2CO3
　　 B．Na2O2 Na2CO3
　　 C．NaOH Na2CO3
　　 D．Na2O2 NaOH Na2CO3
　　 三、借助数轴巧解题
　　 有些化学计算题由于涉及反应较多、关系量繁杂、不定因素多，导致产物有多元性。解这类题时不能仅靠数学方法，还要运用化学知识对不同情况进行讨论，去掉不合理因素，得出正确结论。
　　 如向NaOH溶液中通入CO2、AlCl3溶液中滴加NaOH溶液以及铁与稀硝酸的反应，随着反应物物质的量的不同，发生不同的化学反应。
　　 在计算或判断产物时，必须理解反应物之比与产物的关系。在实际解决这类问题时，有些学生弄不清反应物之比与产物的关系，感到问题很棘手。如能借助于数轴，将涉及的反应物之比与产物的关系直接在数轴上表示出来，则会使复杂问题简单化、抽象问题具体化，能最大限度地提高解题速度和准确性。
　　 1.将CO2通入NaOH溶液
　　 （1）先发生反应：2NaOH+CO2Na2CO3+H2O；过量的CO2继续反应：Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3；将这两个式子相加，即可得：NaOH+CO2NaHCO3。
　　 （2）根据上述反应可知，当n(NaOH)n(CO2)=2时，恰好生成Na2CO3；当n(NaOH)n(CO2)=1时，恰好生成NaHCO3。
　　 （3）将NaOH与CO2反应的量和产物之间的关系，在数轴上表示出来：
　　 在上图中，①当1＜n(NaOH)n(CO2)＜2时，产物是Na2CO3和NaHCO3；②当n(NaOH)n(CO2)＜1时，产物是NaHCO3，并剩余CO2；③当n(NaOH)n(CO2)＞2时，产物是Na2CO3，并剩余NaOH。
　　 例7 用1L1.0mol/LNaOH溶液吸收0.8molCO2，向所得的溶液中滴入足量的BaCl2溶液，所得沉淀的物质的量为（ ）
　　 A.0.2molB.0.4mol
　　 C.0.6molD.0.8mol
　　 【解析】由于1＜n(NaOH)n(CO2)=10.8=54＜2，说明产物是Na2CO3和NaHCO3的混合物；但NaHCO3不和BaCl2反应，只有Na2CO3和BaCl2反应生成BaCO3沉淀。由碳和钠元素守恒得：n(Na2CO3)+n(NaHCO3)=0.8mol、2n(Na2CO3)+n(NaHCO3)=1.0mol，解得n(Na2CO3)=0.2mol。则能生成0.2mol的BaCO3沉淀，即A项正确。
　　 【答案】A
　　 2.向AlCl3溶液中逐滴加入NaOH溶液
　　 （1）先发生反应：AlCl3+3NaOHAl(OH)3↓+3NaCl；生成的氢氧化铝沉淀继续与NaOH溶液反应：Al(OH)3+NaOHNaAlO2+2H2O；合起来写作：AlCl3+4NaOHNaAlO2+3NaCl+2H2O。
　　 （2）将AlCl3与NaOH溶液反应的量和产物之间的关系，在数轴上表示出来：
　　 在上图中，①当3＜n(NaOH)n(AlCl3)＜4时，产物是Al(OH)3和NaAlO2的混合物；②当n(NaOH)n(AlCl3)=3时，恰好生成Al(OH)3；③当n(NaOH)n(AlCl3)=4时，恰好生成NaAlO2；④当n(NaOH)n(AlCl3)＞4时，生成NaAlO2，并且NaOH过量；⑤当n(NaOH)n(AlCl3)＜3时，生成Al(OH)3，并且AlCl3过量。
　　 例8 往mmL0.25mol/L的AlCl3溶液中加入金属钾，完全反应后恰好只形成KCl和KAlO2的溶液。加入钾的物质的量是( )
　　 A．2.5m×10-4molB．5.0m×10-4mol
　　 C．7.5m×10-4molD．m×10-3mol
　　 【解析】要使产物只有KCl和KAlO2，则n(K)/n(AlCl3)≥4，即n(K)=4n(AlCl3)=0.25m×10-3mol×4=m×10-3mol。
　　 【答案】D
　　 3.铁与稀硝酸的反应
　　 （1）铁与稀硝酸反应：Fe+4HNO3Fe(NO3)3+NO↑+2H2O；然后剩余铁粉与Fe(NO3)3反应：Fe+2Fe(NO3)33Fe(NO3)2；将两式合起来得：3Fe+8HNO33Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O。
　　 （2）将铁与稀硝酸的量及产物之间的关系，在数轴上表示出来：
　　 在上图中，①当n(HNO3)n(Fe)=83时，恰好生成Fe(NO3)2；②当n(HNO3)n(Fe)=4时，恰好生成Fe(NO3)3；③当n(HNO3)n(Fe)＜83时，生成Fe(NO3)2，并剩余铁；④当n(HNO3)n(Fe)＞4时，生成Fe(NO3)3，并剩余硝酸。
　　 例9 含ngHNO3的稀溶液恰好与mg铁粉完全反应，若HNO3只被还原为NO，则n∶m可能为（ ）
　　 ①5∶1 ②9∶2 ③3∶1 ④2∶1 ⑤4∶1
　　 A.②③⑤B.①③④
　　 C.②③D.①③
　　 【解析】依题意写出HNO3和Fe粉可能发生的反应：3Fe+8HNO3（稀）3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O①，Fe+4HNO3Fe(NO3)3+NO↑+2H2O②。
　　 在反应①中：m(HNO3)∶m(Fe)=8×63∶3×56=3∶1；在反应②中：m（HNO3）∶m（Fe）=4×63∶56=9∶2。
　　 取水平数轴表示m(HNO3)m(Fe)，则有m(HNO3)m(Fe)=nm，所得数轴如下图：
　　 由图可知：当31≤nm≤92时，HNO3和Fe恰好完全反应。
　　 【答案】A
　　 有些复杂的计算题由于涉及关系量繁杂，可借助数轴以求直观助思；还有些化学计算题中涉及的化学知识用坐标曲线的形式表达出来更形象、概念性强，寓题意于变化的曲线之中，此法常用于解题的分析之中。
　　 【跟踪训练】
　　 6.某校研究性学习小组利用下列装置，对过量炭粉与氧化铁反应产物中气体的成分进行探究。
　　 （1）探究过程：
　　 ①称取3.2g氧化铁与2g炭粉均匀混合，放入48.48g的玻璃管中，按上图装置连接；
　　 ②加热前，先通一段时间纯净、干燥的氮气，赶出装置中的氧气；
　　 ③夹紧T处弹簧夹，加热一段时间，待完全反应后，冷却至室温；
　　 ④称得玻璃管和固体的总质量为52.24g。
　　 （2）数据处理：经计算，参加反应的碳元素质量为 g。
　　 （3）得到结论：根据数据处理结果，得出反应生成的气体是 ，该实验的化学方程为 。
　　 【跟踪训练答案】1.A 2.B 3.C 4.D 5.A 6.（2）0.48 （3）CO和CO2 2C+Fe2O3高温2Fe+CO↑+CO2↑

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