Question

3．實(shí)驗(yàn)室以銅、稀硫酸、硝酸為原料制取硫酸銅晶體的原理如下：將適量硝酸分多次加入到銅粉與稀硫酸的混合物中，加熱使之反應(yīng)完全，通過(guò)蒸發(fā)、結(jié)晶得到硫酸銅晶體．請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

（1）為了節(jié)約原料，硫酸和硝酸的物質(zhì)的量之比最佳為：3：2．
（2）為了吸收該反應(yīng)中產(chǎn)生的尾氣，請(qǐng)選擇下列裝置中合適的裝置序號(hào)B．
（3）為了使制備實(shí)驗(yàn)更加符合綠色化學(xué)的要求，某�；瘜W(xué)研究性學(xué)習(xí)小組進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：
第一組：以空氣為氧化劑法．
【方案1】將銅粉在坩堝（填儀器名稱）中反復(fù)灼燒，使銅與空氣充分反應(yīng)生成氧化銅，再將氧化銅與稀硫酸反應(yīng)．
【方案2】將空氣直接通入到銅粉與稀硫酸的混合物中，發(fā)現(xiàn)在常溫下幾乎不反應(yīng)．向反應(yīng)液中加少量FeSO₄，即發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸銅．反應(yīng)完全后，加物質(zhì)甲調(diào)節(jié)pH，鐵元素全部沉淀（注：鐵離子的濃度下降到10^-5mol•L^-1，就認(rèn)為沉淀完全），然后過(guò)濾、濃縮、結(jié)晶．
已知：K_sp[Cu（（OH）₂]≈10^-22，K_sp[Fe（（OH）₂]≈10^-16，K_sp[Fe（（OH）₃]≈10^-38若開始時(shí)加入的銅粉為3.2g，最后所得溶液為500mL，溶液中含有鐵元素0.005mol．則：
①為了使鐵元素全部沉淀，應(yīng)調(diào)節(jié)pH至少為3．
②上述物質(zhì)甲不可以選用的物質(zhì)是BE．
A、CuO   B、NaOH   C、CuCO₃   D、Cu₂（OH）₂CO₃   E、Fe₂（SO₄）₃  F、Cu（OH）₂
③反應(yīng)中加入少量FeSO₄可加速銅的氧化，用離子方程式解釋其原因如下：4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O、2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺．
第二組：以過(guò)氧化氫為氧化劑法．
將3.2g銅絲放到45mL 1.5mol•L^-1的稀硫酸中，控溫在50℃，再加入18mL 10%的H₂O₂，反應(yīng)0.5h；然后升溫至60℃，持續(xù)反應(yīng)1h．反應(yīng)后先過(guò)濾除去過(guò)量的銅；再蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾并用少量95%的酒精淋洗后晾干，稱量得CuSO₄•5H₂O 10.5g．則：
④反應(yīng)時(shí)溫度控制在50℃～60℃不宜過(guò)高的原因是防止雙氧水分解．
⑤本實(shí)驗(yàn)中CuSO₄•5H₂O的產(chǎn)率為84%．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)銅和稀硝酸反應(yīng)的離子方程式，理解反應(yīng)實(shí)質(zhì)氫離子是硫酸和硝酸提供；尾氣只要是一氧化氮、二氧化氮，需要和氧氣混合通入堿溶液中完全吸收；
（2）固體灼燒應(yīng)在坩堝內(nèi)；
①依據(jù)Ksp和一般認(rèn)為鐵離子的濃度下降到10^-5mol•L^-1，就認(rèn)為沉淀完全，計(jì)算溶液PH；
②調(diào)節(jié)溶液PH和溶液中氫離子反應(yīng)，提高溶液PH，但不能引入新的雜質(zhì)；
③亞鐵離子在空氣中易被氧化為鐵離子，銅能溶解于含鐵離子的溶液中；
④根據(jù)雙氧水加熱易分解的性質(zhì)分析；
⑤依據(jù)固體條件結(jié)合得到硫酸銅晶體質(zhì)量計(jì)算得到．

解答 解：（1）驗(yàn)室用銅制取硫酸銅，將適量硝酸分多次加入到銅粉與稀硫酸的混合物中，加熱使之反應(yīng)完全，反應(yīng)的離子方程式為：3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，依據(jù)離子反應(yīng)實(shí)質(zhì)，氫離子是硝酸和硫酸共同提供，氫離子分析可知最佳比為6：2，所以硫酸和硝酸物質(zhì)的量之比最佳為3：2；吸收該反應(yīng)中產(chǎn)生的尾氣氮的氧化物需要通入氧氣混合后通入氫氧化鈉溶液被完全吸收；
A、一氧化氮不能被氫氧化鈉吸收，故A錯(cuò)誤；
B、空氣和一氧化氮通入氫氧化鈉溶液可以被吸收，故B正確；
C、空氣未通入氫氧化鈉溶液，一氧化氮不能在溶液中和氧氣反應(yīng)被氫氧化鈉吸收，故C錯(cuò)誤；
D、氣體都未通入氫氧化鈉溶液中，不能被吸收，故D錯(cuò)誤；
故答案為：3：2；B；
（2）固體在空氣中灼燒需要高溫應(yīng)在坩堝內(nèi)完成，故答案為：坩堝；
①K_sp[Fe（（OH）₃]≈10^-38 ，依據(jù)沉淀溶解平衡可知，c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=10^-38，一般認(rèn)為鐵離子的濃度下降到10^-5mol•L^-1，
c（OH^-）=10^-11mol/L，c（H⁺）=10^-3mol/L，pH=3，故答案為：3；
②除雜的原則，保證不引入雜質(zhì)，加入氧化銅或堿式碳酸銅都能能和酸反應(yīng)提高溶液PH，但不引進(jìn)新的雜質(zhì)，加入CaO、NaOH、Fe₂（SO₄）₃會(huì)引入新的雜質(zhì)離子，得不到純凈的硫酸銅晶體，故答案為：CD；
③反應(yīng)中加入少量FeSO₄可加速銅的氧化，亞鐵離子酸性溶液中被空氣中的氧氣氧化為鐵離子，鐵離子溶解銅生成硫酸鐵和硫酸銅，反應(yīng)的兩種方程式為：4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O； 2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺，故答案為：4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺；
④過(guò)氧化氫不穩(wěn)定，溫度過(guò)高易分解生成水和氧氣，故答案為：防止雙氧水分解；
⑤設(shè)3.2g銅生成五水硫酸銅的質(zhì)量為xg，根據(jù)銅原子守恒得銅和五水硫酸銅的關(guān)系式為：
Cu→CuSO₄•5H₂O
64g 250g
3.2g xg
所以x=12.5g
理論上生成CuSO₄•5H₂O 12.5克，故產(chǎn)率為$\frac{10.6g}{12.5g}$×100%=84.8%，
故答案為：84.8%．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了制備物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方案探究，實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用分析，物質(zhì)性質(zhì)的判斷，氧化還原反應(yīng)的分析，尾氣處理方法，溶液PH的計(jì)算，制備物質(zhì)產(chǎn)率計(jì)算，題目綜合性強(qiáng)，需要扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，題目難度中等．