Question

将一些氧化铜粉末加入到100g质量分数为14%的硫酸溶液中，微热至氧化铜全部溶解，再向该溶液中加入20g铁粉，充分反应后，过滤、烘干，得到干燥的固体物质仍为20g．求：
（1）原先氧化铜的质量是多少克？
（2）最后得到溶液的质量分数是多少？

Answer 1

【答案】分析：（1）要使加入的铁粉和得到的固体质量相等必须使硫酸消耗多余的Fe：从CuSO₄+Fe=FeSO₄+Cu，可以看出铁转化出铜，这是一个使固体质量增加的过程，而题目明确的说明过滤后的固体质量与投入的铁粉质量相同，这只能说明氧化铜被溶解后，硫酸仍然有剩余，剩余的硫酸继续消耗铁粉，且消耗铁粉的质量与前一步固体增加的质量相等；利用这一等量关系，计算所加入氧化铜的质量；
（2）最后生成的溶质是FeSO₄，它是由两部分生成的．第一部分与CuSO₄反应得到的FeSO₄，第二部分是铁与剩余硫酸生成的FeSO₄，反应后溶液中总共含有FeSO4为两部分的质量和；根据质量守恒定律，反应后所得溶液总质量=100g稀硫酸+氧化铜的质量+铁的质量-析出的铜的质量（与铁的质量相等）-氢气质量，由于参加反应铁的质量与析出固体的质量相等，所以，反应后所得溶液的总质量=100g稀硫酸+氧化铜的质量-氢气质量．则最后得到溶液的质量分数为生成FeSO₄的总质量与反应后所得溶液总质量的比．
解答：解：（1）设原先氧化铜的质量为m，则与氧化铜反应的硫酸的质量x，生成硫酸铜的质量y
CuO+H₂SO₄═CuSO₄+H₂O
80   98    160
m    x      y
  x=
  y=2m
设加入铁粉与硫酸铜溶液充分反应固体增加的质量为a，生成硫酸亚铁的质量为c；与剩余稀硫酸反应的铁的质量为b，生成硫酸亚铁的质量为d
Fe+CuSO₄═FeSO₄+Cu  固体质量增加
56  160         64     64-56=8
     2m                  a
  a=0.1m
Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑
56   98
b   100g×14%-
  b=8-0.7m
反应前后固体质量不变，即与硫酸反应消耗铁的质量等于与硫酸铜反应固体增加的质量，即：a=b
0.1m=8-0.7m  解得m=10g，
答：原先氧化铜的质量为10g；
（2）设加入铁粉与硫酸铜溶液充分反应固体增加的质量1g时生成硫酸亚铁的质量为c；与剩余稀硫酸反应的1g铁生成硫酸亚铁的质量为d，同时放出氢气质量为w
Fe+CuSO₄═FeSO₄+Cu 固体质量增加
56 160     152  64   64-56=8
            c          1g
  c=19g
Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑
56         152  2
1g          d   w
  d≈2.7g
  w≈0.04g
最后得到溶液的质量分数=×100%≈19.73%
答：最后得到溶液的质量分数为19.73%．
点评：分析固体质量不变的原因是解决本题的关键：要使加入的铁粉和得到的固体质量相等必须使硫酸消耗多余的Fe，且消耗铁粉的质量与置换出铜固体增加的质量相等．