Question

3．某化学活动小组按下图所示流程由粗氧化铜样品（含少量氧化亚铁及不溶于酸的杂质）制取无水硫酸铜．

已知Fe³⁺、Cu²⁺、Fe²⁺三种离子在水溶液中形成氢氧化物沉淀的pH范围如下图所示：

请回答下列问题：
（1）在整个实验过程中，下列实验装置不可能用到的是①③（填序号）

（2）溶液A中所含溶质为CuSO₄、FeSO₄、H₂SO₄；
（3）物质X应选用②（填序号），沉淀Ⅱ的主要成分是Fe（OH）₃
①氯水       ②双氧水        ③铁粉         ④高锰酸钾
（4）从溶液C中制取硫酸铜晶体的实验操作为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、自然干燥．
（5）用“间接碘量法”可以测定溶液A中Cu²⁺（不含能与I^-发生反应的杂质）的浓度．过程如下：
第一步：移取10.00mL溶液A于100mL容量瓶，加水定容至100mL．
第二步：取稀释后试液20.00mL于锥形瓶中，加入过量KI固体，充分反应生成白色沉淀与碘单质．
第三步：以淀粉溶液为指示剂，用0.05000mol•L^-1的Na₂S₂O₃标准溶液滴定，前后共测定三组．达到滴定终点时，消耗Na₂S₂O₃标准溶液的体积如下表：
（已知：I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-）

滴定次数	第一次	第二次	第三次
滴定前读数（mL）	0.10	0.36	1.10
滴定滴定后读数（mL）	20.12	20.34	22.12

①CuSO₄溶液与KI的反应的离子方程式为2Cu²⁺+4I^-═2CuI↓+I₂．
②滴定中，试液Na₂S₂O₃应放在碱式滴定管（填“酸式滴定管”或“碱式滴定管”），判断滴定终点的依据是最后一滴试液滴入，溶液由蓝色变为无色，振荡半分钟，溶液无明显变化．
③溶液A中c（Cu²⁺）=0.5000mol•L^-1．

Answer 1

分析 将粗氧化铜（含少量氧化亚铁及不溶于酸的杂质）溶于过量硫酸，生成FeSO₄、CuSO₄，然后过滤，得到沉淀I为不溶于酸的杂质，溶液A中溶质为FeSO₄、CuSO₄和H₂SO₄，向溶液A中加入X调节pH过滤，得到溶液B，向溶液B中加入Cu（OH）₂调节pH过滤，得到沉淀II，除去FeSO₄、CuSO₄和H₂SO₄中的FeSO₄，根据氢氧化物沉淀需要的pH知，应该先将FeSO₄氧化为铁盐，为不引进新的杂质，氧化剂X应该为Cl₂或H₂O₂，然后向溶液中加入Cu（OH）₂调节溶液的pH，所以沉淀II为Fe（OH）₃，然后将溶液C蒸发浓缩、冷却结晶得到CuSO₄•5H₂O，最后在HCl氛围中加热CuSO₄•5H₂O得到CuSO₄，
（1）实验中用到的化学操作有称量、过滤和蒸发，没有制取气体、分液、热分解操作；
（2）根据物质的性质和药品的用量来分析溶液A中所含溶质；
（3）获得纯净的硫酸铜晶体，选用除去铁离子和亚铁离子，由于亚铁离子不易完全除去，应该使用氧化剂将亚铁离子氧化成铁离子，并且选用的氧化剂不能引进杂质离子、不能污染空气，据此进行解答；
（4）从溶液中获得硫酸铜晶体，直接加热会导致硫酸铜失去结晶水，应该采用加热浓缩、冷却结晶、过滤、自然干燥的操作方法；
（5）①CuSO₄与KI反应生成碘单质、碘化亚铜、硫酸钾；
②根据Na₂S₂O₃属于强碱弱酸盐，溶液呈碱性分析；根据淀粉与碘单质作用变蓝解答；
③由2Cu²⁺+4I^-=2CuI↓+I₂、I₂+2S₂O₃^2-=S₄O₆^2-+2I^-可知，Cu²⁺～S₂O₃^2-，以此来计算．

解答 解：将粗氧化铜（含少量氧化亚铁及不溶于酸的杂质）溶于过量硫酸，发生的反应有FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O、CuO+H₂SO₄=CuSO₄+H₂O，然后过滤，得到沉淀I为不溶于酸的杂质，溶液A中溶质为FeSO₄、CuSO₄和H₂SO₄，向溶液A中加入X调节pH过滤，得到溶液B，向溶液B中加入Cu（OH）₂调节pH过滤，得到沉淀II，除去FeSO₄、CuSO₄和H₂SO₄中的FeSO₄，根据氢氧化物沉淀需要的pH知，应该先将FeSO₄氧化为铁盐，为不引进新的杂质，氧化剂X应该为Cl₂或H₂O₂，然后向溶液中加入Cu（OH）₂调节溶液的pH，所以沉淀II为Fe（OH）₃，然后将溶液C蒸发浓缩、冷却结晶得到CuSO₄•5H₂O，最后在HCl氛围中加热CuSO₄•5H₂O得到CuSO₄，
（1）实验中用到的化学操作有称量、过滤（④）和蒸发（②），没有固液常温下制取气体（①）、分液（③）、以及热分解（⑤）操作，
故答案为：①③⑤；
（2）氧化铜和氧化亚铁分别与硫酸反应生成硫酸铜和硫酸亚铁，又硫酸过量，则溶质A的主要成分为：FeSO₄、CuSO₄、H₂SO₄，故答案为：CuSO₄、FeSO₄、H₂SO₄；
（3）根据实验流程可知，测量氧化铜含量，需要获得纯净的硫酸铜晶体，应该先除去亚杂质铁离子、铁离子，由于亚铁离子完全沉淀的pH=9.6，此时铜离子也完全沉淀，而铁离子完全沉淀的pH=3.7，此时铜离子没有生成沉淀，所以应该加入X将亚铁离子氧化成铁离子，并且选用的氧化剂不能引进杂质离子，不能产生污染大气的气体，所以应该选用②（双氧水），2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，符合要求，铁粉具有还原性，氯水、高锰酸钾具有氧化性，但引入新的杂质，沉淀II为Fe（OH）₃，故答案为：②；Fe（OH）₃；
（4）从溶液C中获得硫酸铜晶体，直接加热蒸干会导致硫酸铜失去结晶水，应该采用的操作方法为：加热浓缩、冷却结晶、过滤、自然干燥，
故答案为：蒸发浓缩 冷却结晶、过滤、自然干燥；
（5）①CuSO₄与KI反应生成碘单质、碘化亚铜、硫酸钾，离子反应为2Cu²⁺+4I^-=2CuI↓+I₂，故答案为：2Cu²⁺+4I^-═2CuI↓+I₂；
②Na₂S₂O₃属于强碱弱酸盐，溶液呈碱性，应用碱式滴定管盛放，淀粉溶液为指示剂，当最后一滴Na₂S₂O₃溶液滴入时，溶液蓝色褪去，半分钟颜色不变，说明滴定到达终点，
故答案为：碱式滴定管；最后一滴试液滴入，溶液由蓝色变为无色，振荡半分钟，溶液无明显变化；
③三次滴定消耗的标准液的体积分别为：（20.12-0.10）mL=20.02mL、（20.34-0.36）mL=19.98mL、（22.12-1.10）mL=21.02mL，前两组数据有效，所以平均体积为：20mL，由2Cu²⁺+4I^-=2CuI↓+I₂、I₂+2S₂O₃^2-=S₄O₆^2-+2I^-可知，Cu²⁺～S₂O₃^2-，因移取10.00mL溶液A于100mL容量瓶，加水定容至100mL，取稀释后试液20.00mL于锥形瓶中，所以c（Cu²⁺）=$\frac{0.05mol/L×0.02L×5}{0.01L}$=0.5000mol/L，
故答案为：0.5000．

点评 本题考查了硫酸铜晶体中结晶水含量的测定，涉及物质制备实验设计、物质分离的实验基本操作，注意掌握测定硫酸铜晶体结晶水含量的方法，理解和掌握物质性质和实验原理是解题关键，题目难度中等．