Question

3．工业上为了测定辉铜矿（主要成分是Cu₂S）中Cu₂S的质量分数，设计了如图装置．实验时按如下步骤操作：
A．连接全部仪器，使其成为如图装置，并检查装置的气密性．
B．称取研细的辉铜矿样品1.000g．
C．将称量好的样品小心地放入硬质玻璃管中．
D．以每分钟1L的速率鼓入空气．
E．将硬质玻璃管中的辉铜矿样品加热到一定温度，发生反应为：Cu₂S+O₂═SO₂+2Cu．
F．移取25.00ml含SO₂的水溶液于250ml锥形瓶中，用0.0100mol/L KMnO₄标准溶液滴定至终点．按上述操作方法重复滴定2-3次．

试回答下列问题：
（1）装置①的作用是除去空气中可能含有的SO₂等气体；装置②的作用是干燥气体．
（2）假定辉铜矿中的硫全部转化为SO2，并且全部被水吸收，则操作F中所发生反应的化学方程式为2KMnO₄+5H₂SO₃=2MnSO₄+K₂SO₄+2H₂SO₄+3H₂O；
（3）若操作F的滴定结果如表所示，则辉铜矿样品中Cu₂S的质量分数是80%．

滴定 次数	待测溶液的 体积/mL	标准溶液的体积
		滴定前刻度/mL	滴定后刻度/mL
1	25.00	1.04	21.03
2	25.00	1.98	21.99
3	25.00	3.20	21.24

（4）本方案设计中有一个明显的缺陷影响了测定结果（不属于操作失误），你认为是（写一种即可）：在KMnO₄滴定前，未反应完的O₂与空气中的O₂也可将H₂SO₃氧化，造成测定结果偏低．
（5）已知在常温下FeS 的K_sp=6.25×10^-18，H₂S 饱和溶液中c（H⁺）与c（S${\;}_{2}^{-}$）之间存在如下关系：c₂（H⁺）•c（S^2-）=1.0×10^-22．在该温度下，将适量 FeS 投入硫化氢饱和溶液中，欲使溶液中（Fe²⁺）为 lmol/L，应调节溶液的c（H⁺）为4×10^-3mol/L．
（6）某人设想以如图所示装置用电化学原理生产硫酸，写出通入SO₂的电极的电极反应式SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺．

Answer 1

分析 实验原理是Cu₂S+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$SO₂+2Cu反应产生的二氧化硫被水吸收，用高锰酸钾来滴定，通过消耗高锰酸钾的量来计算Cu₂S的质量，进而计算Cu₂S的质量分数．
（1）装置①中是高锰酸钾溶液与氢氧化钾溶液的混合溶液，目的是为了吸收空气中可能含有的二氧化硫气体；装置②干燥管中的氯化钙是干燥气体的作用；
（2）高锰酸钾具有氧化性，可以氧化亚硫酸为硫酸，锰被还原为锰离子，据此写出反应方程式；
（3）依据反应Cu₂S+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$SO₂+2Cu、2KMnO₄+5H₂SO₃=2MnSO₄+K₂SO₄+2H₂SO₄+3H₂O；
依据反应定量关系计算；5Cu₂S～5SO₂～5H₂SO₃～2KMnO₄；
（4）二氧化硫具有还原性，空气中氧气也可把二氧化硫氧化；
（5）根据硫化亚铁的溶度积常数和亚铁离子浓度计算硫离子浓度，再根据氢硫酸的电离平衡常数计算氢离子浓度；
（6）该装置是原电池，负极上的二氧化硫失电子发生氧化反应．

解答 解：（1）装置①中溶液是高锰酸钾溶液与氢氧化钾溶液的混合溶液，目的是为了吸收空气中可能含有的二氧化硫气体，避免对测定结果产生误差；装置②干燥管中的氯化钙是除去混有的水蒸汽，干燥气体的作用，
故答案为：除去空气中可能含有的SO₂等气体；干燥气体；
（2）高锰酸钾具有氧化性，可以氧化亚硫酸为硫酸，高锰酸钾被还原为硫酸锰，反应的方程式为：2KMnO₄+5H₂SO₃=2MnSO₄+K₂SO₄+2H₂SO₄+3H₂O，故答案为：2KMnO₄+5H₂SO₃=2MnSO₄+K₂SO₄+2H₂SO₄+3H₂O；
（3）若称得矿样的质量为1.000g，第3组数据误差太大，舍去，前两组消耗高锰酸钾溶液的平均体积为：
$\frac{（21.03-1.04）+（21.99-1.98）}{2}$mL=20.00mL，浓度为0.0100mol/L，高锰酸钾的物质的量=0.0100mol•L^-1×0.0200L=2.000×10^-4mol；依据反应定量关系计算；
5Cu₂S～5SO₂～5H₂SO₃～2KMnO₄
5 2
n 2.000×10^-4mol
n=5×10^-4mol
则辉铜矿样品中Cu₂S的质量分数是=$\frac{5×10{\;}^{-4}mol×160g/mol×\frac{250}{25}}{1.000g}$×100%=80%；
故答案为：80%．
（4）二氧化硫具有还原性，空气中氧气没有除去，会把二氧化硫部分氧化，则和高锰酸钾反应的二氧化硫减少，造成结果偏低，故答案为：在KMnO₄滴定前，未反应完的O₂与空气中的O₂也可将H₂SO₃氧化，造成测定结果偏低；
（5）溶液中c（S^2-）=$\frac{Ksp}{c（Fe{\;}^{2+}）}$=6.25×10^-18mol/L，c²（H⁺）•c（S^2-）=1.0×10^-22，则c（H⁺）=$\sqrt{\frac{1×10{\;}^{-22}}{6.25×10{\;}^{-18}}}$mol/L=4×10^-3mol/L，
故答案为：4×10^-3mol/L；
（6）负极上，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸，电极反应式为：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺，
故答案为：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺．

点评 本题考查了物质性质的探究实验设计和过程分析判断，滴定计算及误差分析、沉淀溶解平衡的计算、原电池原理等，搞清原理和物质性质是解题关键，题目难度中等．