Question

10．活性氧化鋅（ZnO） 是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無(wú)機(jī)產(chǎn)品，近幾年有關(guān)該物質(zhì)的制備成為化工行業(yè)研究的熱點(diǎn)．某�；瘜W(xué)興趣小組的同學(xué)參觀了某廠用粗ZnO制備活性ZnO的生產(chǎn)流程，做如下探究．
Ⅰ、制備活性氧化鋅
一種由粗ZnO（含F(xiàn)eO、CuO）制備活性ZnO的流程如圖1：

【查閱資料】①、粗ZnO中常含雜質(zhì)FeO、CuO
②、反應(yīng)3是為了制得堿式碳酸鋅、堿式碳酸鋅經(jīng)焙燒可制得活性ZnO
③、已知：幾種物質(zhì)沉淀時(shí)的pH如下表：

物質(zhì)	Fe（OH）2	Fe（OH）3	Zn（OH）2	Cu（OH）2
開始沉淀時(shí)pH	6.34	1.48	6.2	5.2
完全沉淀時(shí)pH	9.7	3.2	8.0	6.4
Fe（OH）2是一種絮狀沉淀，不易除去，處理時(shí)常將其轉(zhuǎn)化為Fe（OH）3而除去．

請(qǐng)問(wèn)答下列問(wèn)題：
（1）溶解前將氧化鋅粗品粉碎成細(xì)顆粒，目的是增大反應(yīng)物的接觸面積或加快溶解速率．
（2）寫出在粗ZnO樣品中加硫酸發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式ZnO+H₂SO₄═ZnSO₄+H₂O（選寫一個(gè)）．
（3）反應(yīng)1的目的是將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，并完全沉淀Fe（OH）₃，為了暫不形成Cu（OH）₂、Zn （OH）₂，該步驟需控制溶液pH的范圍是3.2～5.2．
（4）操作A的名稱是過(guò)濾，該過(guò)程中使用的玻璃儀器有燒杯、玻璃棒、漏斗．
（5）反應(yīng)2中加入鋅發(fā)生的反應(yīng)屬于置換反應(yīng)（填化學(xué)反應(yīng)的基本類型）．
（6）B溶液的溶質(zhì)是（NH₄）₂SO₄，檢驗(yàn)其中是否含NH₄⁺ 的方法為可加入NaOH濃溶液加熱，觀察現(xiàn)象，如有刺激性氣味的氣體生成，則說(shuō)明含有NH₄⁺．
Ⅱ、測(cè)定堿式碳酸鋅的化學(xué)式
該興趣小組的同學(xué)欲寫出上述流程中堿式碳酸鋅焙燒生成氧化鋅的化學(xué)方程式，但不知道堿式碳酸鋅的化學(xué)式（xZnCO₃•yZn（OH）₂•zH₂O），于是從該廠帶回部分焙燒前的堿式碳酸鋅樣品在老師的指導(dǎo)下完成下列實(shí)驗(yàn)．
用下列裝置測(cè)定堿式碳酸鋅的化學(xué)組成，計(jì)算xZnCO₃•yZn（OH）₂•zH₂O中x：y：z的最簡(jiǎn)比．（假設(shè)每步反應(yīng)、吸收均完全）
【實(shí)驗(yàn)步驟】
①按圖2連接好裝置，并檢查裝置的氣密性檢查裝置的氣密性；
②在熱分解裝置中裝入68.2g樣品，打開活塞打開K₁K₂，，關(guān)閉K₃，緩緩鼓入空氣數(shù)分鐘； ③稱量裝置C、D的質(zhì)量；④關(guān)閉活塞K₁，K₂，打開K₃，打啟動(dòng)熱分解裝置，使樣品充分熱解；⑤停止加熱，繼續(xù)通空氣至裝置冷卻到室溫； ⑥再次分別稱量裝置C、D的質(zhì)量．
[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)]該小組同學(xué)按上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄了如下數(shù)據(jù)：

	裝置C的質(zhì)量（/g）	裝置D的質(zhì)量（/g）
實(shí)驗(yàn)前	198.4	235.7
實(shí)驗(yàn)后	209.2	244.5

【實(shí)驗(yàn)分析及數(shù)據(jù)處理】：
（1）A處干燥管盛放的藥品是堿石灰（CaO與NaOH的固體混合物），其作用是吸收空氣中的水和二氧化碳．
（2）第⑤步繼續(xù)通空氣的目的是把產(chǎn)生的氣體全部推入C、D中使之被完全吸收．
（3）老師在審閱方案后指出應(yīng)該在E處再增加一套裝置，你認(rèn)為所加儀器名稱是干燥管，，儀器中藥品是堿石灰，其作用是防止空氣中的水和二氧化碳進(jìn)入D中，若沒有此裝置，測(cè)得二氧化碳的質(zhì)量偏大（填“偏大”、“偏小”或“無(wú)影響”）．
（4）根據(jù)上述數(shù)據(jù)，計(jì)算xZnCO₃•yZn（OH）₂•zH₂O中x：y：z的最簡(jiǎn)比=1：2：1，
并寫出計(jì)算過(guò)程．
提示：①xZnCO₃•yZn（OH）₂•zH₂O受熱分解為ZnO、H₂O、CO₂ 三種產(chǎn)物，其中
ZnCO₃  $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$ZnO+CO₂↑   
Zn（OH）₂ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$ZnO+H₂O
②可能用到的相對(duì)分子量：ZnCO₃125    Zn（OH）₂ 99    ZnO 81    H₂O 18    CO₂44
該堿式碳酸鋅受熱分解的化學(xué)方程式為ZnCO₃•2Zn（OH）₂•H₂O $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3ZnO+3H₂O+CO₂↑．

Answer 1

分析 Ⅰ、制備活性氧化鋅
（1）考慮反應(yīng)物的接觸面積；
（2）考慮ZnO樣品與硫酸的反應(yīng)；
（3）由表格中的數(shù)據(jù)，推測(cè)溶液pH的范圍；
（4）操作a是將固體與溶液分離，應(yīng)采取過(guò)濾的方法，過(guò)濾所用的主要玻璃儀器有：燒杯、漏斗、玻璃棒；
（5）考慮鋅與稀硫酸的反應(yīng)；
（6）根據(jù)氨根與堿反應(yīng)，生成刺激性氣味的氣體生成．
Ⅱ、測(cè)定堿式碳酸鋅的化學(xué)式
【實(shí)驗(yàn)步驟】
①根據(jù)裝置要求，連接好裝置，并檢查裝置的氣密性進(jìn)行解答；
②裝置內(nèi)有空氣，含有水蒸氣和二氧化碳，影響水蒸氣和二氧化碳質(zhì)量的測(cè)定，故實(shí)驗(yàn)前要通入空氣，趕走裝置中含有水蒸氣和二氧化碳，減少誤差．
【實(shí)驗(yàn)分析及數(shù)據(jù)處理】：
（1）根據(jù)裝置內(nèi)有空氣，含有水蒸氣和二氧化碳，影響水蒸氣和二氧化碳質(zhì)量的測(cè)定，實(shí)驗(yàn)前要通入空氣，趕走裝置中含有水蒸氣和二氧化碳，減少誤差解答；
（2）根據(jù)B裝置中的反應(yīng)完全后，裝置中的殘留少量水蒸氣和二氧化碳，為減少誤差，應(yīng)全部趕到裝置C和D中解答；
（3）D裝置中盛放的堿石灰容易吸收空氣中的水蒸氣和二氧化碳，應(yīng)在D裝置之后添加一個(gè)盛有堿石灰（或氧化鈣）的干燥管，防止空氣中的水蒸氣和二氧化碳進(jìn)入D裝置中，影響測(cè)量結(jié)果．
（4）堿式碳酸鋅樣品22.6g，反應(yīng)前C裝置的質(zhì)量為198.4g，反應(yīng)后質(zhì)量為209.2g，故生成水的質(zhì)量為209.2g-198.4g=10.8g；反應(yīng)前D裝置的質(zhì)量為235.7g，反應(yīng)后質(zhì)量為244.5g，生成二氧化碳的質(zhì)量為8.8g，故氧化鋅的質(zhì)量為22.6g-1.8g-8.8g=12g，計(jì)算各物質(zhì)的物質(zhì)的量，利用元素守恒計(jì)算堿式碳酸鋅中x、y、z，據(jù)此書寫堿式碳酸鋅化學(xué)式．根據(jù)題中信息寫出化學(xué)方程式．

解答 解：Ⅰ、制備活性氧化鋅
（1）溶解前將氧化鋅粗品粉碎成細(xì)顆粒，目的是增大反應(yīng)物的接觸面積或加快溶解速率I制備活性氧化鋅．
（2）在粗ZnO樣品中加硫酸發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式 ZnO+H₂SO₄═ZnSO₄+H₂O等（寫CuO或FeO與硫酸反應(yīng)也正確）；
（3）由表格可知：反應(yīng)1的目的是將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，并完全沉淀Fe（OH）₃，為了暫不形成Cu（OH）₂、Zn （OH）₂，該步驟需控制溶液pH的范圍是 3.2～5.2；
（4）操作a是將固體與溶液分離，應(yīng)采取過(guò)濾的方法，過(guò)濾所用的主要玻璃儀器有：燒杯、漏斗、玻璃棒，故答案為：過(guò)濾；燒杯、漏斗、玻璃棒；
（5）反應(yīng)2中加入鋅發(fā)生的反應(yīng)為鋅與稀硫酸反應(yīng)，屬于置換反應(yīng)；
（6）B溶液的溶質(zhì)是（NH₄）₂SO₄，檢驗(yàn)其中是否含NH₄⁺的方法為可加入NaOH濃溶液加熱，觀察現(xiàn)象，如有刺激性氣味的氣體生成，則說(shuō)明含有NH₄⁺．
【實(shí)驗(yàn)步驟】
①由實(shí)驗(yàn)原理可知，實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)測(cè)量D裝置內(nèi)堿石灰的增重，計(jì)算生成的二氧化碳的質(zhì)量，通過(guò)測(cè)量C裝置裝置，計(jì)算生成的水的質(zhì)量，故應(yīng)首先檢驗(yàn)裝置的氣密性．
②裝置內(nèi)有空氣，含有水蒸氣和二氧化碳，影響水蒸氣和二氧化碳質(zhì)量的測(cè)定，故實(shí)驗(yàn)前要通入空氣，趕走裝置中含有水蒸氣和二氧化碳，減少誤差．
活塞的操作方法是：打開活塞K₁、K₂，關(guān)閉活塞K₃；
【實(shí)驗(yàn)分析及數(shù)據(jù)處理】：
（1）裝置內(nèi)有空氣，含有水蒸氣和二氧化碳，影響水蒸氣和二氧化碳質(zhì)量的測(cè)定，實(shí)驗(yàn)前要通入空氣，趕走裝置中含有水蒸氣和二氧化碳，減少誤差，故A裝置應(yīng)吸收空氣中的水蒸氣和二氧化碳，A裝置內(nèi)可以選用堿石灰（或氧化鈣），其作用是吸收空氣中的水和二氧化碳；
（2）B裝置中的反應(yīng)完全后，裝置中的殘留少量水蒸氣和二氧化碳，為減少誤差，應(yīng)全部趕到裝置C和D中，故第⑤步繼續(xù)通空氣的目的是把產(chǎn)生的氣體全部推入C、D中使之被完全吸收；
（3）D裝置中盛放的堿石灰容易吸收空氣中的水蒸氣和二氧化碳，應(yīng)在D裝置之后添加一個(gè)盛有堿石灰（或氧化鈣）的干燥管，防止空氣中的水蒸氣和二氧化碳進(jìn)入D裝置中，影響測(cè)量結(jié)果．若沒有此裝置，測(cè)得二氧化碳的質(zhì)量偏大；
（4）堿式碳酸鋅樣品68.2g，反應(yīng)前C裝置的質(zhì)量為198.4g，反應(yīng)后質(zhì)量為209.2g，故生成水的質(zhì)量為209.2g-198.4g=10.8g；反應(yīng)前D裝置的質(zhì)量為235.7g，反應(yīng)后質(zhì)量為244.5g，生成二氧化碳的質(zhì)量為8.8g，故氧化鋅的質(zhì)量為68.2g-10.8g-8.8g=48.6g，故
xZn CO₃•yZn（OH）₂•zH₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$（x+y）ZnO+（y+z）H₂O+xCO₂↑
                                                    81（x+y）       18（y+z）      44x  
                                                        8.6g             0.8g            8.8g
  則x：y：z的最簡(jiǎn)比=1：2：1 
堿式碳酸鋅受熱分解的化學(xué)方程式為ZnCO₃•2Zn（OH）₂•H₂O $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3ZnO+3H₂O+CO₂↑；
故答案為：Ⅰ、（1）增大反應(yīng)物的接觸面積或加快溶解速率；
（2）ZnO+H₂SO₄═Zn SO₄+H₂O等；
（3）3.2～5.2；（4）過(guò)濾；玻璃棒、漏斗；
（5）置換；（6）可加入NaOH濃溶液加熱，觀察現(xiàn)象，如有刺激性氣味的氣體生成，則說(shuō)明含有NH₄⁺．
Ⅱ、[實(shí)驗(yàn)步驟]
①氣密性      ②打開K₁ K₂，K₃    
[實(shí)驗(yàn)分析及數(shù)據(jù)處理]：
（1）吸收空氣中的水和二氧化碳
（2）把產(chǎn)生的氣體全部推入C、D中使之被完全吸收
（3）干燥管，堿石灰      防止空氣中的水和二氧化碳進(jìn)入D中，偏大
（4）1：2：1；ZnCO₃•2Zn（OH）₂•H₂O  $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3ZnO+3H₂O+CO₂．

點(diǎn)評(píng) 本題考查學(xué)生對(duì)工藝流程的理解、閱讀獲取信息能力、對(duì)操作步驟的分析評(píng)價(jià)、物質(zhì)的分離提純、氧化學(xué)計(jì)算等，是對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用與能力的考查，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)與綜合運(yùn)用知識(shí)、信息進(jìn)行解決問(wèn)題的能力