Question

4．今有一包铁粉和铜粉混合粉末，为确定其组成，现提供4mol/L的FeCl₃溶液（其他用品略），某合作学习小组同学的实验结果如下（假定反应前后溶液体积不变）（　　）

组别	①	②	③	④
V[FeCl3（aq）]/mL	100	100	100	100
混合粉末质量/g	6	13.2	24	36
反应后剩余固体质量/g	0	1.28	12.8	24.8

• A． 第①组溶液中c（Fe³⁺）=3.0 mol/L
• B． 第②组剩余固体是铜铁混合物
• C． 第④组反应后的滤液中c（Fe²⁺）=6 mol/L
• D． 原混合粉末中n（Fe）：n（Cu）=3：2

Answer 1

分析 依据实验结果的数据，结合反应的实质分析，根据氧化还原反应的规律，铁离子与Fe、Cu都能反应，按照还原性强弱，铁的还原性强于铜，所以三价铁先和铁反应再与铜反应，Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，Cu+2Fe³⁺=Fe²⁺+Cu²⁺；能剩余的固体可以是铜，可以是铁和铜，从②组数据中可以得出，FeCl₃溶液全部参与反应，假设只发生第一个反应，则溶解的Fe的质量为11.2g，13.2-1.28=11.92＞11.2，所以同时也有一部分Cu溶解（发生第二个反应），所以剩余的固体全部为Cu；利用②的数据根据化学方程式进行计算，求的铁和铜的物质的量之比，利用③组的数据对比判断剩余的固体；进而依据铁和铜的物质的量之比计算①组反应后溶液中的三价铁离子浓度，计算④组中反应后的溶液中二价铁的浓度．

解答 解：从②组数据中可以得出，FeCl₃溶液全部参与反应，假设只发生第一个反应，则溶解的Fe的质量为11.2g，
13.2-1.28=11.92=2＞11.2，所以同时也有一部分Cu溶解，剩余的固体全部为Cu；利用②的数据，设Cu、Fe合金中金属物质的量分别为xmol、ymol．
 Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺
 x   0.2x     
  Cu+2Fe³⁺=Cu²⁺+2Fe²⁺
0.2-0.1x 0.4-0.2x    
依据铜元素守恒可得：（0.2-0.1x）+$\frac{1.28g}{64}$=y，根据质量守恒可得：56x+64y=13.2，
联立解得：x=y=0.11，
即铜与铁物质的量比是1：1，
验证：利用③的数据，正好是24-11.2=12.8，所以只发生了Fe+2Fe³⁺═3Fe²⁺，剩余的12.8全部为Cu，所以n（Fe）：n（Cu）=（$\frac{11.2g}{56g/mol}$）：（$\frac{1.28g}{64g/mol}$）=1：1，符合铁和铜的物质的量之比的判断；
①组，6g固体中含有Cu、Fe的物质的量各为0.05mol
  Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺
0.05  0.1  0.15
  Cu+2Fe³⁺=Cu²⁺+2Fe²⁺
0.05  0.1   0.05     0.1
c（Fe³⁺）=$\frac{0.4mol-0.2mol}{0.1L}$=2.0mol/L，
④组中铁和铜物质的量按照1：1混合，可以计算得到铁和铜的物质的量都为：$\frac{36g}{（56+64）g/mol}$=0.3mol，
36g金属中铁的质量为：0.3mol×56g/mol=16.8g，铜的质量为19.2g； 
依据反应Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，有三价铁离子物质的量计算判断，反应金属为11.2g铁，所以剩余固体为铁和铜，三价铁全部反应，根据铁元素守恒可知，0.4molFe³⁺全部反应生成Fe²⁺，溶解的铁为11.2g，物质的量为：$\frac{11.2g}{56g/mol}$=0.2mol，所以反应后溶液中Fe²⁺的浓度为：c（Fe²⁺）=$\frac{0.2mol+0.4mol}{0.1L}$=6mol/L，
A、第①组溶液中c（Fe³⁺）=2.0mol/L，故A错误；
B、第②、③组剩余固体全是铜，故B错误；
C、第④组反应后的滤液中c（Fe²⁺）=6mol/L，故C正确；
D、原混合粉末中n（Fe）：n（Cu）=1：1，故D错误；
故选C．

点评 本题考查了铁及其化合物的性质应用，主要是实验数据的分析判断和计算，题目难度较大，关键是通过②判断剩余固体为铜，通过计算得到铁和铜的物质的量之比，③④剩余固体便顺利判断成分，进而依据化学方程式或元素守恒计算，题目综合性较大，数据处理较复杂．