Question

12．工业上以粗铜为原料采取如图1所示流程制备硝酸铜晶体：

①在步骤a中，还需要通入氧气和水，其目的是将NO_x转化为硝酸，提高原料的利用率，减少污染物的排放．
②在操作Ⅰ之前，对滤液用HNO₃调节pH值至1，其目的是（结合离子方程式说明）由于铜离子水解：Cu²⁺+2H₂O?Cu（OH）₂+2H⁺，加入HNO₃能抑制硝酸铜水解．
③从滤液中制取硝酸铜晶体的操作Ⅰ的具体步骤是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤．
（2）图2是某小组学生查阅资料后所绘出的硝酸铜晶体[Cu（NO₃）₂nH₂O]的溶解度曲线（温度在30⁰C左右对应不同的晶体），说法正确的是b、d

（a） A点时的溶液为不饱和溶液
（b） B点时两种晶体可以共存
（c）按上述流程最终得到的晶体一定是Cu（NO₃）₂3H₂O
（d） 若将C点时的溶液降温至30℃以下，可以析出Cu（NO₃）₂6H₂O晶体
（3）某燃料电池以熔融的K₂CO₃（其中不含O^2-和HCO₃^-）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极．正极电极反应式为O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-或13O₂+26CO₂+52e^-=26CO₃^2-用该燃料电池和如图3所示装置来电解饱和食盐水，若电解后得到200mL 3.25mol•L^-1 NaOH溶液，则消耗C₄H₁₀的体积在标准状况下为560mL．

Answer 1

分析 （1）粗铜中加入稀硝酸，Fe、Cu和稀硝酸反应生成Fe（NO₃）₃、Cu（NO₃）₂，同时生成氮氧化物，氮氧化物和水反应生成硝酸，能循环利用，调节溶液的pH，将Fe（NO₃）₃转化为Fe（OH）₃沉淀，然后过滤得到滤渣，滤液为Cu（NO₃）₂溶液，向滤液中加入稀硝酸并调节溶液的pH，然后蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤得到硝酸铜晶体．
①氮氧化物和氧气、水反应生成硝酸，提高原料利用率；
②酸性条件下能抑制铜离子水解；
③从溶液中得到晶体需要蒸发浓缩、冷却结晶和过滤洗涤；
（2）a．在溶解度曲线上方的溶液为过饱和溶液；
b．B点时两种晶体在水溶液中都达到饱和；
c．结晶温度较低，晶体Cu（NO₃）₂•6H₂O析出；
d．若将C点时的溶液降温至30°C以下，如果溶液为过饱和溶液，可以析出Cu（NO₃）₂•6H₂O晶体；
（3）正极上氧气得电子发生还原反应；根据氢氧化钠计算转移电子数，根据串联电池中转移电子数相等计算丁烷的体积．

解答 解：（1）粗铜中加入稀硝酸，Fe、Cu和稀硝酸反应生成Fe（NO₃）₃、Cu（NO₃）₂，同时生成氮氧化物，氮氧化物和水反应生成硝酸，能循环利用，调节溶液的pH，将Fe（NO₃）₃转化为Fe（OH）₃沉淀，然后过滤得到滤渣，滤液为Cu（NO₃）₂溶液，向滤液中加入稀硝酸并调节溶液的pH，然后蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤得到硝酸铜晶体．
①氮氧化物有毒，且NO不和水反应，通入氧气和水，氮氧化物和氧气、水反应生成硝酸，硝酸能循环利用，从而提高原料利用率，且减少污染物的排放，
故答案为：将NO_x转化为硝酸，提高原料的利用率，减少污染物的排放；
②铜离子水解生成氢氧化铜和氢离子，水解方程式为Cu²⁺+2H₂O?Cu（OH）₂+2H⁺，加入稀硝酸能抑制硝酸铜溶解，
故答案为：由于铜离子水解，Cu²⁺+2H₂O?Cu（OH）₂+2H⁺，加入HNO₃能抑制硝酸铜水解；
③从滤液中制取硝酸铜晶体的操作是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤，
故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤；
（2）a．在溶解度曲线上方的溶液为过饱和溶液，所以A点时的溶液为饱和溶液，故a错误；
b．根据图象知，B点时两种晶体在水溶液中都达到饱和，所以二者可以共存，故b正确；
c．结晶温度较低，晶体以Cu（NO₃）₂•6H₂O析出，故c错误；
d．若将C点时的溶液降温至30°C以下，如果溶液为过饱和溶液，根据图象知，可以析出Cu（NO₃）₂•6H₂O晶体，故d正确；
故选bd；
（3）该电池中，丁烷和氧气反应生成二氧化碳和水，反应方程式为：2C₄H₁₀+13O₂=8CO₂+10H₂O，正极上氧气得电子发生还原反应和二氧化碳反应生成碳酸根离子，电极反应式为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-或13O₂+26CO₂+52e^-=26CO₃^2-，氢氧化钠的物质的量=3.25mol/L×0.2L=0.65mol，根据
2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Cl₂↑+H₂↑+2OH^-                 2e^-
                                             2mol              2mol
知，生成0.65mol氢氧化钠时转移电子的物质的量=$\frac{0.65mol}{2}$，串联电池中转移电子数相等，所以丁烷的体积=$\frac{0.65mol}{6.5×4}$=560mL，
故答案为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-或13O₂+26CO₂+52e^-=26CO₃^2-；560．

点评 本题以铜和酸的反应为载体考查混合物的分离和提纯、原电池的工作原理，根据物质的性质、基本操作从整体上分析流程图中各个步骤发生的反应，知道图2中曲线上、下区域表示的含义，注意盐类水解的影响因素，注意丁烷中碳的平均化合价，题目难度中等．