Question

13．实验室用铜制取硫酸铜，将适量硝酸分多次加入到铜粉与稀硫酸的混合物中加热，使之反应完全，通过蒸发、结晶得到硫酸铜晶体．
（1）为了节约原料，硫酸和硝酸的物质的量之比最佳为3：2
为了吸收该反应中产生的尾气，请选择下列中合适的装置B．
（2）为符合绿色化学的要求，某研究性学习小组进行如下设计：第一组：空气为氧化剂法
方案1：以空气为氧化剂．将铜粉在仪器X中反复灼烧，使铜与空气充分反应生成氧化铜，再将氧化铜与稀硫酸反应．
方案2：将空气或氧气直接通入到铜粉与稀硫酸的混合物中，发现在常温下几乎不反应．向反应液中加少量FeSO₄，即发生反应，生成硫酸铜．反应完全后，加入物质甲调节pH，铁元素全部沉淀（一般认为铁离子的浓度下降到10^-5 mol•L^-1，就认为沉淀完全．已知：K_sp[Fe（（OH）₃]≈10^-38），然后过滤、浓缩、结晶．
请回答下列问题：
①方案1中的仪器X名称是坩埚．
②方案2为了使铁离子全部沉淀，应调节pH至少为3．
③方案2中甲物质可选用的是CD．
A．CaO　　B．NaOH　　C．CuCO₃　　D．Cu₂（OH）₂CO₃　E．Fe₂（SO₄）₃
④方案2中加入少量FeSO₄可加速铜的氧化，用离子方程式解释其原因4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺
第二组：过氧化氢为氧化剂法
将3.2g铜丝放到45mL 1.5mol•L^-1的稀硫酸中，控温在50℃加入18mL 10%的H₂O₂反应0.5h，升温到60℃，持续反应1h后，过滤、蒸发浓缩、减压抽滤等，用少量95%的酒精淋洗后晾干，得CuSO₄•5H₂O 10.5g．
请回答下列问题：
⑤反应时温度控制在50～60℃不宜过高的原因是防止双氧水分解．
⑥本实验CuSO₄•5H₂O的产率为84.8%．

Answer 1

分析 （1）依据铜和稀硝酸反应的离子方程式，理解反应实质氢离子是硫酸和硝酸提供；尾气只要是一氧化氮、二氧化氮，需要和氧气混合通入碱溶液中完全吸收；
（2）①固体灼烧应在坩埚内；
②依据Ksp和一般认为铁离子的浓度下降到10^-5mol•L^-1，就认为沉淀完全，计算溶液PH；
③调节溶液PH和溶液中氢离子反应，提高溶液PH，但不能引入新的杂质；
④亚铁离子在空气中易被氧化为铁离子，铜能溶解于含铁离子的溶液中；
⑤根据双氧水加热易分解的性质分析；
⑥依据固体条件结合得到硫酸铜晶体质量计算得到．

解答 解：（1）验室用铜制取硫酸铜，将适量硝酸分多次加入到铜粉与稀硫酸的混合物中，加热使之反应完全，反应的离子方程式为：3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，依据离子反应实质，氢离子是硝酸和硫酸共同提供，氢离子分析可知最佳比为6：2，所以硫酸和硝酸物质的量之比最佳为3：2；吸收该反应中产生的尾气氮的氧化物需要通入氧气混合后通入氢氧化钠溶液被完全吸收；
A．一氧化氮不能被氢氧化钠吸收，故A错误；
B．空气和一氧化氮通入氢氧化钠溶液可以被吸收，故B正确；
C．空气未通入氢氧化钠溶液，一氧化氮不能在溶液中和氧气反应被氢氧化钠吸收，故C错误；
D．气体都未通入氢氧化钠溶液中，不能被吸收，故D错误；
故答案为：3：2；B；
（2）①固体在空气中灼烧需要高温应在坩埚内完成，则仪器X为坩埚，故答案为：坩埚；   
②K_sp[Fe（（OH）₃]≈10^-38 ，依据沉淀溶解平衡可知，c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=10^-38，一般认为铁离子的浓度下降到10^-5mol•L^-1，c（OH^-）=10^-11mol/L，c（H⁺）=10^-3mol/L，溶液的pH=3，
故答案为：3；  
③除杂的原则，保证不引入杂质，加入氧化铜或碱式碳酸铜都能能和酸反应提高溶液PH，但不引进新的杂质，加入CaO、NaOH、Fe₂（SO₄）₃会引入新的杂质离子，得不到纯净的硫酸铜晶体，
故答案为：CD；
④反应中加入少量FeSO₄可加速铜的氧化，亚铁离子酸性溶液中被空气中的氧气氧化为铁离子，铁离子溶解铜生成硫酸铁和硫酸铜，反应的两种方程式为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O； 2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺，
故答案为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺；
⑤过氧化氢不稳定，温度过高易分解生成水和氧气，为了防止双氧水分解，反应时温度控制在50～60℃，故答案为：防止双氧水分解；
⑥设3.2g铜生成五水硫酸铜的质量为xg，根据铜原子守恒得铜和五水硫酸铜的关系式为：
Cu→CuSO₄•5H₂O
64g    250g
3.2g    xg
则：x=12.5，
理论上生成CuSO₄•5H₂O 12.5克，故产率为：$\frac{10.5g}{12.5g}$×100%=84%，
故答案为：84%．

点评 本题考查了制备物质的实验设计和方案探究、实验装置的应用分析、物质性质的判断、氧化还原反应的分析、尾气处理方法、溶液pH的计算、制备物质产率计算等知识，题目难度中等，试题综合性强，明确实验原理和实验目的为解答关键，试题培养了学生的分析能力及化学实验能力．