Question

14．某金属冶炼厂在生产过程中产生了一定量的含铜废料．化学兴趣小组利用稀硫酸和铁粉分离回收铜，并获得硫酸亚铁晶体．其设计方案如图1所示．

【查阅资料】
①在同温同压下，同体积的气体含有相同的分子数目；
②在通入空气并加热的条件下，铜可与稀硫酸反应转化为硫酸铜，反应的化学方程式：2Cu+2H₂SO₄+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CuSO₄+2H₂O．
【回答问题】
（1）步骤Ⅰ中分离得到固体A和蓝色溶液B的操作名称是过滤．
（2）蓝色溶液B中的溶质是CuSO₄、H₂SO₄（填化学式）．
（3）写出步骤Ⅲ中发生反应的化学方程式Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑．
（4）铜制品在空气中会发生锈蚀[铜锈的主要成分是Cu₂（OH）₂CO₃]．根据铜锈的主要成分中含有氢元素和碳元素，可以判断出铜生锈需要空气中的H₂O、CO₂（填化学式）．若要探究“铜生锈是否需要空气中的氧气？”如图2所示实验中，只需完成BD（填字母）两个实验即可达到实验目的．

【拓展研究】
（1）小明通过查阅资料，利用铁粉、炭粉、氯化钠等物质又进行了实验（装置如图3），9分钟以后测得数据如表：

实验前的体积		实验后的体积
集气瓶内空气	量气管内液面所在刻度	量气管内液面所在刻度
150.0mL	30.8mL	0.2mL

①请计算出空气中氧气含量20.4%（计算结果保留一位小数）．
②炭粉和氯化钠在本实验中的作用是催化作用．
③若将图3装置中的粗铁粉换成足量的铜粉进行实验，请判断能否比较准确地测定空气中氧气的含量，并说明理由．因为空气中二氧化碳含量约只有0.03%，铜不能将装置中的氧气几乎耗尽．

Answer 1

分析 【回答问题】根据设计方案图1可知，废料中的铜与氧气反应生成氧化铜，氧化铜与硫酸反应生成硫酸铜和水，所以蓝色溶液中的溶质中含有硫酸铜，根据蓝色溶液中加入铁有气体产生，说明蓝色溶液中含有过量的硫酸，所以溶质中还含有硫酸；加入铁粉是利用铁与硫酸铜反应生成铜和硫酸亚铁，将铜置换出来，得到硫酸亚铁，铁与硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，也是获得硫酸亚铁，所以加入略过量的铁粉，过量的目的是使CuSO₄、H₂SO₄完全反应；固体C中可能含有铁所以先用硫酸清洗把铁除掉，再用水冲洗，最后进行干燥就能得到铜了；
根据质量守恒定律分析铜生锈条件，根据对比实验法探究铜生锈的条件分析应进行的实验；
【拓展研究】（1）根据烧杯内蒸馏水减少的体积为氧气的体积解答；
（2）根据题中信息分析解答；
（3）根据生成铜绿的条件解答．

解答 解：【回答问题】由题意可知，废料中的铜与氧气反应生成氧化铜，氧化铜与硫酸反应生成硫酸铜和水，所以蓝色溶液中的溶质中含有硫酸铜，根据蓝色溶液中加入铁有气体产生，说明蓝色溶液中含有过量的硫酸，所以溶质中还含有硫酸；加入铁粉是利用铁与硫酸铜反应生成铜和硫酸亚铁，将铜置换出来，得到硫酸亚铁，铁与硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，也是获得硫酸亚铁，所以加入略过量的铁粉，过量的目的是使CuSO₄、H₂SO₄完全反应；固体C中可能含有铁所以先用硫酸清洗把铁除掉，再用水冲洗，最后进行干燥就能得到铜了．所以：（1）步骤Ⅰ中分离得到固体A和蓝色溶液B的操作名称是过滤．
（2）由上述分析可知，蓝色溶液B中的溶质是 CuSO₄、H₂SO₄；
（3）由上述分析可知，步骤Ⅲ中发生的反应是铁和硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，化学方程式是：Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑；
（4）铜制品在空气中会发生锈蚀[铜锈的主要成分是Cu₂（OH）₂CO₃]．根据铜锈的主要成分中含有氢元素和碳元素，可以判断出铜锈需要空气中的H₂O、CO₂；
若要探究“铜生锈是否需要空气中的氧气？”如图2所示实验中，只需完成BD两个实验即可达到实验目的．
【拓展研究】①量气管内蒸馏水变化的体积为氧气的体积=30.8mL-0.2mL=30.6mL
空气中氧气含量=$\frac{30.6mL}{150mL}$×100%≈20.4%；
②通过上述实验探究，选择铁粉、炭粉、氯化钠和蒸馏水等物质进行实验，可较为快速地完成实验并减小实验误差，所以炭粉和氯化钠在本实验中的作用是催化作用；
③铜也能与空气中氧气、水、二氧化碳反应而锈蚀，生成铜绿[铜绿的主要成分为Cu₂（OH）₂CO₃]，若将图3装置中的粗铁丝换成足量的铜丝进行实验，不能比较准确地测定空气中氧气的含量，因为空气中二氧化碳含量约只有0.03%，铜不能将装置中的氧气几乎耗尽．
故答案为：【回答问题】（1）过滤；
（2）CuSO₄、H₂SO₄；
（3）Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑；
（4）H₂O、CO₂，BD；
【拓展研究】①20.4%；
②催化作用；
③因为空气中二氧化碳含量约只有0.03%，铜不能将装置中的氧气几乎耗尽．

点评 合理设计实验，科学地进行实验、分析实验，是得出正确实验结论的前提，因此要学会设计实验、进行实验、分析实验，为学好化学知识奠定基础．