Question

20．已知Fe³⁺的氧化性大于Cu²⁺，据此性质，某工厂用FeCl₃溶液腐蚀镀有铜的绝缘板生产印刷电路．用离子方程式表示其化学原理2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺．
某实验小组的同学对该厂生产印刷电路后所得的废液进行了分析：取50.00mL废液，向其中加入0.64g金属铜，金属铜全部溶解；又取50.00mL 废液，向其中加入足量的AgNO₃溶液，析出沉淀43.05g．请回答以下问题 （此题的计算结果注意有效数字，即保留两位小数）：
（1）该厂生产后废液中所含金属离子有Fe³⁺、Fe²⁺、Cu²⁺；
（2）该厂原来使用的FeCl₃溶液的物质的量浓度2mol/L（反应前后溶液的体积变化忽略不计）；
（3）若向500.00mL废液中加入足量的稀硝酸，在标准状况下生成NO气体4.48L，则原废液中各金属阳离子的物质的量浓度之比为（要表示出对应的离子）c（Fe³⁺）：c（Fe²⁺）：c（Cu²⁺）=4：6：3；
（4）另取500.00mL废液，加入一定量铁屑，充分反应后有铜析出，则所得溶液中Fe²⁺的物质的量范围为1.2＜n（Fe²⁺）≤1.5．

Answer 1

分析 铁离子具有氧化性，能和Cu发生氧化还原反应生成亚铁离子和铜离子；
（1）向溶液中加入Cu，Cu溶解说明溶液中还含有铁离子，同时溶液中还有亚铁离子和铜离子；
（2）加入硝酸银溶液得到的沉淀的AgCl，根据氯原子守恒计算原来氯化铁溶液浓度；
（3）500ml溶液加足量稀硝酸，氧化的是亚铁离子，离子方程式3Fe²⁺+4H⁺+NO₃^-=2H₂O+3Fe³⁺+NO↑，因为NO的物质的量为0.2mol所以亚铁有0.6mol．根据离子方程2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺可知500ml溶液中铜离子0.3mol；50ml加入足量的硝酸银溶液，析出沉淀43.05g为AgCl，物质的量为0.03mol，可知500ml溶液中含有氯离子为0.3mol，根据电荷守恒可知溶液中铁离子为0.4mol，同一溶液中，物质的量之比等于其物质的量浓度之比；
（4）向500.00mL该溶液中加入一定量铁屑，首先发生2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，铁离子反应完毕，再发生Cu²⁺+Fe=Fe²⁺+Cu，有铜开始析出时，即Fe³⁺恰好完全反应，溶液为氯化亚铁与氯化铜混合液，此时溶液中Fe²⁺最少，根据电荷守恒计算亚铁离子的物质的量．当溶液中铜离子完全析出，此时溶液中Fe²⁺最多，溶液为氯化亚铁溶液，根据氯离子守恒计算亚铁离子的物质的量．

解答 解：Fe³⁺氧化性大于Cu²⁺，用FeCl₃溶液腐蚀镀有铜的绝缘板的离子方程式为：2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺，
故答案为：2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺；
（1）由于向废液中加入金属铜后铜全部溶解，则铁离子有剩余，废液中含生成的Fe²⁺、Cu²⁺，和剩余的Fe³⁺，则该厂产生的废液中所含金属离子为：Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺，
故答案为：Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺；
（2）废液加入足量的AgNO₃溶液，生成沉淀43.05g为AgCl质量，其物质的量为：$\frac{43.05g}{143.5g/mol}$=0.3mol，
根据氯元素守恒，原溶液中n（FeCl₃）=$\frac{1}{3}$n（AgCl）=×0.3mol=0.1mol，
故原废液中c（FeCl₃）=2mol/L，
故答案为：2mol/L；
（3）500ml溶液加足量稀硝酸，氧化的是亚铁离子，离子方程式3Fe²⁺+4H⁺+NO₃^-=2H₂O+3Fe³⁺+NO↑，因为NO的物质的量为0.2mol所以亚铁有0.6mol．根据离子方程2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺可知500ml溶液中铜离子0.3mol；50ml加入足量的硝酸银溶液，析出沉淀43.05g为AgCl，物质的量为0.03mol，可知500ml溶液中含有氯离子为0.3mol，根据电荷守恒可知溶液中铁离子为0.4mol，同一溶液中，物质的量之比等于其物质的量浓度之比所以c（Fe³⁺）：c（Fe²⁺）：c（Cu²⁺）=n（Fe³⁺）：n（Fe²⁺）：n（Cu²⁺）=0.4mol：0.6mol：0.3mol=4：6：3，
故答案为：c（Fe³⁺）：c（Fe²⁺）：c（Cu²⁺）=4：6：3；
（4）由（3）可知500ml溶液中n（Fe³⁺）=0.4mol，n（Fe²⁺）=0.6mol，n（Cu²⁺）=0.3mol，n（Cl^-）=3mol．
向500.00mL该溶液中加入一定量铁屑，首先发生2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，铁离子反应完毕，再发生Cu²⁺+Fe=Fe²⁺+Cu，有铜开始析出时，即Fe³⁺恰好完全反应，溶液为氯化亚铁与氯化铜混合液，此时溶液中Fe²⁺最少，根据电荷守恒可知，此时溶液中亚铁离子物质的量为n′（Fe²⁺）=$\frac{3mol-0.3mol×2}{2}$=1.2mol；
当溶液中铜离子完全析出，此时溶液中Fe²⁺最多，溶液为氯化亚铁溶液，根据氯离子守恒可知，此时亚铁离子物质的量为n″（Fe²⁺）=$\frac{3mol}{2}$=1.5mol，所以溶液中1.20＜n（Fe²⁺）≤1.50，
故答案为：1.2＜n（Fe²⁺）≤1.5．

点评 本题以铜、铁和氯化铁之间的反应为载体考查氧化还原反应的有关计算，正确判断溶液中中n（Fe³⁺）、n（Fe²⁺）、n（Cu²⁺）是解题的关键，注意结合原子守恒、电荷守恒进行解答，题目难度中等．