Question

實(shí)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，通過蒸發(fā)、結(jié)晶得到硫酸銅晶體．

（1）為了節(jié)約原料，硫酸和硝酸的物質(zhì)的量之比最佳為　　；為了吸收該反應(yīng)中產(chǎn)生的尾氣，請(qǐng)選擇下列中合適的裝置　　．

（2）為符合綠色化學(xué)的要求，某研究性學(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：以空氣為氧化劑．將銅粉在儀器B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：將空氣或氧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（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），然后過濾、濃縮、結(jié)晶．

已知：K_sp≈10^﹣22，K_sp≈10^﹣16，K_sp≈10^﹣38

請(qǐng)回答下列問題：

如開始加入的銅粉為3.2g，最后所得溶液為500mL，溶液中含有鐵元素0.005mol．

①方案1中的B儀器名稱是　　．

②為了使鐵元素全部沉淀，應(yīng)調(diào)節(jié)pH至少為　　．

③方案2中甲物質(zhì)可選用的是　　．

A、CaO    B、NaOH   C、CuCO₃   D、Cu₂（OH）₂CO₃   E、Fe₂（SO₄）₃

④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　　．

第二組：過氧化氫為氧化劑法

將3.2g銅絲放到45mL 1.5mol•L^﹣1的稀硫酸中，控溫在50℃．加入18mL 10%的H₂O₂，反應(yīng)0.5h，升溫到60℃，持續(xù)反應(yīng)1h后，過濾、蒸發(fā)濃縮、減壓抽濾等，用少量95%的酒精淋洗后晾干，得CuSO₄•5H₂O 10.5g．

請(qǐng)回答下列問題：

⑤反應(yīng)時(shí)溫度控制在50℃～60℃不宜過高的原因是　　，

⑥本實(shí)驗(yàn)CuSO₄•5H₂O的產(chǎn)率為　　．

　

Answer 1

考點(diǎn)：

制備實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)；難溶電解質(zhì)的溶解平衡及沉淀轉(zhuǎn)化的本質(zhì)；硝酸的化學(xué)性質(zhì)．

專題：

電離平衡與溶液的pH專題；氮族元素．

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）①固體灼燒應(yīng)在坩堝內(nèi)；

②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；

③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)；

④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；

⑤根據(jù)雙氧水加熱易分解的性質(zhì)分析；

⑥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）①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；  

②K_sp≈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； 

③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；

④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⁺；

⑤過氧化氫不穩(wěn)定，溫度過高易分解生成水和氧氣，故答案為：防止雙氧水分解；

⑥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=12.5

理論上生成CuSO₄•5H₂O 12.5克，故產(chǎn)率為×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．