Question

19．硫酸铜是一种重要的化工原料，工业上常以硫酸为原料来制备硫酸铜．
（1）工业上生产硫酸的过程中，焙烧硫铁矿时产生的废渣是一种二次资源．
①为了从废渣中磁选获得品位合格的铁精矿，可在高温下利用CO使弱磁性Fe₂O₃转化为强磁性Fe₃O₄．写出该反应的化学方程式：3Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₃O₄+CO₂；实验发现，CO太多或太少都会导致磁铁矿产率降低，原因是CO太多导致Fe₃O₄还原为铁，CO太少，Fe₂O₃转化成Fe₃O₄的转化率不高．
②氯化焙烧工艺是将废渣用氯化钙水溶液调和、成球、高温焙烧，废渣中SiO₂与CaCl₂等在高温下反应放出HCl，HCl与金属氧化物等反应生成氯化物．反应生成的各金属氯化物以气态形式逸出，进而回收有色金属和回返氯化钙溶液．写出氯化焙烧工艺中生成HCl的化学方程式：CaCl₂+SiO₂+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ CaSiO₃+2HCl．
（2）测定硫酸铜晶体中结晶水含量的实验步骤如下，请补充完整．
步骤1：准确称量一个洁净、干燥的坩埚；
步骤2：将一定量的硫酸铜晶体试样研细后，放入坩埚中称重；
步骤3：将盛有试样的坩埚加热，待晶体变成白色粉末时，停止加热；
步骤4：将步骤3中的坩埚放入干燥器，冷却至室温后，称重；
步骤5：将步骤4中的坩埚再加热一定时间，放入干燥器中冷却至室温后，称重，重复本操作，直至两次称量质量差不超过0.1g；
步骤6：根据实验数据计算硫酸铜晶体试样中结晶中的质量分数．
（3）已知硫酸铜晶体受热可以逐步失去结晶水，温度升高还可以分解生成铜的氧化物．现取25.0gCuSO₄•5H₂O晶体均匀受热，缓慢升温至1200℃并恒温1h，实验测得固体残留率（剩余固体的质量/原始固体质量）与温度的关系如图所示：
在110℃时所得固体的成分为CuSO₄•3H₂O；升温至1200℃并恒温1h，反应所得气态产物除去水后，物质的量的取值范围是0.125mol＜n（气体）＜0.175mol．

Answer 1

分析 （1）①根据高温下利用CO使弱磁性Fe₂O₃转化为强磁性Fe₃O₄，利用质量守恒确定产物并配平；CO太多导致Fe₃O₄还原为铁，CO太少，Fe₂O₃转化成Fe₃O₄的转化率不高；
②由题意可知：废渣中SiO₂与CaCl₂等在高温下反应放出HCl，所以水参加反应，所以化学方程式为CaCl₂+SiO₂+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ CaSiO₃+2HCl；
（2）根据直至两次称量质量差不超过0.1g确定完全失水；
 （3）由图示数据可知，失去水的质量为：25.0g×14.4%=3.6g，根据关系式：CuSO₄•5H₂O～CuSO₄•XH₂O利用差量法求出X，从而得出化学式；1 000℃并恒温1小时左右，固体残留率为：28.8%，所以剩余固体的质量为：25g×28.8%=7.2g，根据Cu原子守恒可知Cu₂O为0.05mol，所以固体反应产物只有Cu₂O，反应方程式为：4CuO$\frac{\underline{\;1000℃～1200℃\;}}{\;}$ 2Cu₂O+O₂（g），则650℃～1000℃发生反应方程式为：CuSO₄ $\frac{\underline{\;650℃～1000℃\;}}{\;}$CuO+SO₃（g），而0.1mol硫酸铜晶体分解后得到0.1mol SO₃和0.025mol O₂，如0.1mol SO₃完全分解将得到0.15mol的混合气体，然后计算．

解答 解：（1）①CO使弱磁性Fe₂O₃转化为强磁性Fe₃O₄和CO₂，方程式为：3Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₃O₄+CO₂；CO太多导致Fe₃O₄还原为铁，CO太少，Fe₂O₃转化成Fe₃O₄的转化率不高，所以CO太多或太少都会导致磁铁矿产率降低，
故答案为：3Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₃O₄+CO₂；CO太多导致Fe₃O₄还原为铁，CO太少，Fe₂O₃转化成Fe₃O₄的转化率不高；
②废渣中SiO₂与CaCl₂等在高温下反应放出HCl，所以水参加反应，所以化学方程式为：CaCl₂+SiO₂+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ CaSiO₃+2HCl，
故答案为：CaCl₂+SiO₂+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ CaSiO₃+2HCl；
（2）将步骤4中的坩埚再加热一定时间，放入干燥器中冷却至室温后，称重，重复本操作，直至两次称量质量差不超过0.1g，
故答案为：将步骤4中的坩埚再加热一定时间，放入干燥器中冷却至室温后，称重，重复本操作，直至两次称量质量差不超过0.1g；
（3）CuSO₄•5H₂O～CuSO₄•XH₂O△m
        250                18（5-x）
       25.0g                 3.6g
则$\frac{250}{25g}=\frac{18（5-x）}{3.6g}$，
解得：X=3，所以在110℃时所得固体的成分为CuSO₄•3H₂O；
25.0g CuSO₄•5H₂O的物质的量为：$\frac{25.0g}{250g/mol}$=0.1mol，则 CuSO₄的物质的量为0.1mol；
1 000℃并恒温1小时左右，固体残留率为：28.8%，所以剩余固体的质量为：25g×28.8%=7.2g，根据Cu原子守恒可知Cu₂O为0.05mol，所以固体反应产物只有Cu₂O，反应方程式为：4CuO$\frac{\underline{\;1000℃～1200℃\;}}{\;}$ 2Cu₂O+O₂（g）和2SO₃$\frac{\underline{\;1000℃\;}}{\;}$2SO₂+O₂，则650℃～1000℃发生反应方程式为：CuSO₄ $\frac{\underline{\;650℃～1000℃\;}}{\;}$CuO+SO₃（g），而0.1mol硫酸铜晶体分解后得到0.1mol SO₃和0.025mol O₂，如0.1mol SO₃完全分解将得到0.15mol的混合气体，气体的物质的量在0.125mol～0.175mol之间，
故答案为：CuSO₄•3H₂O； 0.125mol＜n（气体）＜0.175mol．

点评 本题主要考查了硫酸铜晶体中结晶水含量的测定、硫酸铜晶体分解产物的确定，注意差量法的使用和化学计算，难度中等．