Question

1．利用含銅、鐵的粗鋅制備硫酸鋅及相關(guān)物質(zhì)．工藝流程圖及有關(guān)數(shù)據(jù)如下：

物質(zhì)	Cu（OH）2	Zn（OH）2	Fe（OH）3	ZnS	CuS
Ksp	5.0×10-20	2.0×10-16	4.0×10-16	1.2×10-23	8.5×10-45

請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）粗鋅中的銅與混酸的稀溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為3Cu+2HNO₃（�。�+3H₂SO₄=3CuSO₄+2NO↑+4H₂O，圖中處理氣體X要能夠體現(xiàn)綠色化學(xué)思想，還需補(bǔ)充氣體O₂（填化學(xué)式）．
（2）若溶液I中c（Cu²⁺）為0.05mol•L^-1，則溶液Ⅱ中c（Fe³⁺）＞4.0×10^-11mol•L^-1．
（3）若固體A是Zn，取9.61g固體C溶解于足量的500mL2mol•L^-1稀硝酸中，共收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下2.24L的氣體，向所得溶液中加入2mol•L^-1NaOH溶液，則當(dāng)生成沉淀最多時(shí)，沉淀的質(zhì)量為14.71g；若固體A是另一種物質(zhì)，取部分固體C于試管中，加入鹽酸產(chǎn)生有臭雞蛋味氣體，則該反應(yīng)的離子方程式為ZnS+2H⁺=H₂S↑+Zn²⁺．
（4）溶液Ⅲ經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾、洗滌、干燥，即得到較純凈的硫酸鋅晶體；溶液Ⅲ還可以制備ZnS，實(shí)際選擇的是（NH₄）₂S溶液而不是Na₂S溶液作為反應(yīng)物，理由是后者制得的ZnS含有較多的雜質(zhì)，則該雜質(zhì)是Zn（OH）₂（填化學(xué)式）．
（5）金屬鋅常用作酸性干電池的負(fù)極，干電池不使用時(shí)，由于負(fù)極與電解質(zhì)溶液接觸而發(fā)生自放電反應(yīng)：2NH${\;}_{4}^{+}$+Zn=2NH₃+H₂↑+Zn²⁺，造成電量自動(dòng)減少．寫出鉛蓄電池不使用時(shí)，其正極上發(fā)生自放電的化學(xué)方程式．2PbO₂+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O+O₂↑．

Answer 1

分析 利用含銅、鐵的粗鋅制備硫酸鋅：粗銅中銅、鐵和硫酸硝酸反應(yīng)，生成銅離子、鐵離子，硝酸被還原成NO，NO和氧氣和水反應(yīng)：4NO+O₂+2H₂O=4HNO₃，全部轉(zhuǎn)化成硝酸循環(huán)使用，能夠體現(xiàn)綠色化學(xué)思想，根據(jù)K_sp可知，氫氧化銅比氫氧化鋅更難溶，向溶液中加入Zn（OH）₂，得到沉淀B為Cu（OH）₂，加入足量固體A，因A不同沉淀C成分不同，但濾液III為硫酸鋅溶液，制備七水合硫酸鋅，防止結(jié)晶水失水，需冷卻結(jié)晶，過(guò)濾、洗滌、干燥，即得到較純凈的硫酸鋅晶體．
（1）粗鋅中的銅與混酸的稀溶液反應(yīng)，銅被氧化成+2價(jià)的銅離子，硝酸被還原成+2價(jià)的一氧化氮，將一氧化氮轉(zhuǎn)化為硝酸，氣體X為一氧化氮，需補(bǔ)充氧氣將其氧化；
（2）固體B為氫氧化銅沉淀，固體C含氫氧化鐵沉淀，根據(jù)K_sp可知，氫氧化銅比氫氧化鋅更難溶，利用氫氧化銅的K_sp計(jì)算出溶液中的氫氧根離子濃度，需得到固體氫氧化鐵根據(jù)C（Fe³⁺）×C³（OH^-）＞K_sp（Fe（OH）₃）計(jì)算溶液Ⅱ中c（Fe³⁺）；
（3）生成沉淀最多時(shí)，沉淀的質(zhì)量為金屬質(zhì)量加上金屬陽(yáng)離子結(jié)合氫氧根質(zhì)量，共收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下2.24L的氣體，為0.01mol，根據(jù)得失電子數(shù)與氫氧根離子的關(guān)系，需0.03mol氫氧根離子，若固體A是另一種物質(zhì)，取部分固體C于試管中，加入足量的鹽酸，有臭雞蛋氣味的氣體產(chǎn)生，氣體為硫化氫，為硫化鋅和酸的反應(yīng)；
（4）溶液Ⅲ為硫酸鋅溶液，制備七水合硫酸鋅，防止結(jié)晶水失水，需冷卻結(jié)晶，因氫氧化鋅的K_sp小于硫化鋅，Na₂S溶液作為反應(yīng)物，制得的ZnS含有較多的雜質(zhì)Zn（OH）₂；
（5）鉛蓄電池的電解質(zhì)溶液為硫酸溶液，其正極材料為PbO₂，負(fù)極材料為Pb，鉛蓄電池不使用時(shí)，正極PbO₂與硫酸發(fā)生還原反應(yīng)生成硫酸鉛和氧氣．

解答 解：（1）粗鋅中的銅與混酸的稀溶液反應(yīng)，銅被氧化成+2價(jià)的銅離子，硝酸被還原成+2價(jià)的一氧化氮，反應(yīng)為：3Cu+2HNO₃（�。�+3H₂SO₄=3CuSO₄+2NO↑+4H₂O，氣體X為一氧化氮，補(bǔ)充氧氣在溶液中可發(fā)生4NO+O₂+2H₂O=4HNO₃，全部轉(zhuǎn)化成硝酸循環(huán)使用，能夠體現(xiàn)綠色化學(xué)思想，
故答案為：3Cu+2HNO₃（�。�+3H₂SO₄=3CuSO₄+2NO↑+4H₂O；O₂；
（2）固體B為氫氧化銅沉淀，固體C含氫氧化鐵沉淀，若溶液I中c（Cu²⁺）為0.05mol•L^-1，根據(jù)C（Cu²⁺）×C²（OH^-）＞K_sp（Cu（OH）₂），C²（OH^-）=$\frac{5×1{0}^{-20}}{5×1{0}^{-2}}$，C（OH^-）=1×10^-9mol/L，需得到固體氫氧化鐵根據(jù)C（Fe³⁺）×C³（OH^-）＞K_sp（Fe（OH）₃），C（Fe³⁺）＞$\frac{4×1{0}^{-16}}{（1×1{0}^{-9}）^{3}}$=4×10^-11mol/L，
故答案為：4×10^-11；
（3）若固體A是Zn，取9.61g固體C溶解于足量的500mL2mol•L^-1稀硝酸中，而最終為氫氧化物，故沉淀質(zhì)量為金屬質(zhì)量加上金屬陽(yáng)離子結(jié)合氫氧根質(zhì)量，氫氧根物質(zhì)的量與金屬失電子物質(zhì)的量相等，而電子與硝酸根結(jié)合生成NO，故有氫氧根物質(zhì)的量為$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$×3=0.3mol，所以總質(zhì)量為9.61g+0.3mol×17g/mol=14.71g，若固體A是另一種物質(zhì)，取部分固體C于試管中，加入足量的鹽酸，有臭雞蛋氣味的氣體產(chǎn)生，氣體為硫化氫，該實(shí)驗(yàn)為制備硫酸鋅，所以陽(yáng)離子為鋅，陰離子為硫，和鹽酸反應(yīng)生成硫化氫的物質(zhì)為硫化鋅，反應(yīng)為：ZnS+2H⁺=H₂S↑+Zn²⁺，
故答案為：14.71；ZnS+2H⁺=H₂S↑+Zn²⁺；
（4）溶液Ⅲ為硫酸鋅溶液，制備七水合硫酸鋅，防止結(jié)晶水失水，需冷卻結(jié)晶，溶液Ⅲ還可以制備ZnS，實(shí)際選擇的是（NH₄）₂S溶液，銨根離子水解抑制鋅離子水解，因氫氧化鋅的K_sp小于硫化鋅，用Na₂S溶液作為反應(yīng)物，制得的ZnS含有較多的雜質(zhì)Zn（OH）₂，
故答案為：冷卻結(jié)晶；Zn（OH）₂；
（5）鉛蓄電池放電時(shí)，Pb作負(fù)極、PbO₂作正極，負(fù)極上Pb失電子而SO₄^2-反應(yīng)生成PbSO₄，反應(yīng)式為Pb+SO₄^2--2e^-=PbSO₄，正極上PbO₂得電子和SO₄^2-、H⁺反應(yīng)生成PbSO₄和H₂O，正極反應(yīng)式為：2PbO₂+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O+O₂↑，鉛蓄電池不使用時(shí)，正極PbO₂與硫酸發(fā)生還原反應(yīng)，Pb（+4→+2），O（-2→0），發(fā)生氧化還原反應(yīng)：2PbO₂+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O+O₂↑，
故答案為：2PbO₂+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O+O₂↑．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了利用含銅、鐵的粗鋅制備硫酸鋅，涉及氮的化合物、沉淀溶解平衡應(yīng)用、氧化還原等知識(shí)，理清沉淀溶解平衡的有關(guān)計(jì)算是解本題關(guān)鍵，題目難度中等．