Question

将一定质量的氧化铜粉末加入到100g质量分数为14%的硫酸溶液中，微热至氧化铜全部溶解，再向蓝色溶液中加入W g铁粉，充分反应后，过滤、烘干，得到干燥的固体混合物仍是W g． 计算：
（1）W的取值范围？
（2）加入的氧化铜的质量是多少？
（3）最后得到的溶液中溶质的质量分数为多少？

Answer 1

分析：根据题意，从CuSO₄+Fe=FeSO₄+Cu，可以看出铁转化出铜，这是一个使固体质量增加的过程，而题目明确的说明过滤后的固体质量与投入的铁粉质量相同，这只能说明氧化铜被溶解后，硫酸仍然有剩余，剩余的硫酸继续消耗铁粉，且消耗铁粉的质量与前一步固体增加的质量相等；利用这一等量关系，计算所加入氧化铜的质量；由题意可知，硫酸最终全部装化为硫酸亚铁，根据硫酸根守恒可以求出加入铁粉的质量W的值；最后生成的溶质是FeSO₄，它是由两部分生成的．第一部分与CuSO₄反应得到的FeSO₄，第二部分是铁与剩余硫酸生成的FeSO₄，反应后溶液中总共含有FeSO₄为两部分的质量和；根据质量守恒定律，反应后所得溶液总质量=100g稀硫酸+氧化铜的质量+铁的质量-析出的铜的质量（与铁的质量相等）-氢气质量，由于参加反应铁的质量与析出固体的质量相等，所以，反应后所得溶液的总质量=100g稀硫酸+氧化铜的质量-氢气质量．则最后得到溶液的质量分数为生成FeSO₄的总质量与反应后所得溶液总质量的比．

解答：解：设原先氧化铜的质量为m，则与氧化铜反应的硫酸的质量x，生成硫酸铜的质量y
CuO+H₂SO₄═CuSO₄+H₂O
80   98    160
m    x      y

80

m

=

98

x

=

160

y

x=

98m

80

     y=2m
设加入铁粉与硫酸铜溶液充分反应固体增加的质量为a；与剩余稀硫酸反应的铁的质量为b，同时放出氢气质量为c
Fe+CuSO₄═FeSO₄+Cu 固体质量增加
56  160         64   64-56=8
2m                      a

56

2m

=

8

a

a=0.1m
  Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑
  56 98           2
  b 14g-

98m

80

     c

56

b

=

98

14g- 98m 80

=

2

c

b=8-0.7m
反应前后固体质量不变，即与硫酸反应消耗铁的质量等于与硫酸铜反应固体增加的质量，即：a=b
0.1m=8-0.7m   解得m=10g  b=1g

56

b

=

2

c

由于b=1g所以有：

56

1g

=

2

c

c≈0.04g
由题意可知，硫酸最终全部转化为硫酸亚铁，设硫酸亚铁的质量为z：
H₂SO₄ ～FeSO₄
98      152
100g×14% z

98

100g×14%

=

152

z

Z=

152

7

g
加入铁粉的质量W=

152

7

g×

56

152

×100%=8g；
最后得到溶液的质量分数=

21.7g

100g+10g-0.04g

×100%≈19.73%
故答案为：（1）W的取值范围是W＞8g； （2）加入的氧化铜的质量是10g；（3）最后得到的溶液中溶质的质量分数为19.7%

点评：分析固体质量不变的原因是解决本题的关键：要使加入的铁粉和得到的固体质量相等必须使硫酸消耗多余的Fe，且消耗铁粉的质量与置换出铜固体增加的质量相等．