Question

18．绿矾（FeSO₄•7H₂O）硫酸法生产一种稀有金属产品过程中产出的副产品，产品外观为淡绿色或淡黄绿色结晶固体．加入适量可调节碱性水中的pH，与水中悬浮物有机结合，并加速沉淀，主要应用于水质净化和工业废水处理，同时具有杀菌作用．
（1）98% 1.84g/cm³的浓硫酸在稀释过程中，密度下降，当稀释至50%时，密度为1.4g/cm³，50%的硫酸物质的量浓度为7.14mol•L^-1 （保留两位小数），50%的硫酸与30%的硫酸等体积混合，混合酸的浓度为＞（填＞、＜、=）40%．
（2）实际生产用20%发烟硫酸（100克发烟硫酸含SO₃20克）配制稀硫酸，若用SO₃•nH₂O表示20%的发烟硫酸，则n=0.77（保留两位小数）．
（3）硫酸亚铁铵[（NH₄）₂SO₄•FeSO₄•6H₂O]（俗称莫尔盐），较绿矾稳定，在分析化学中常用来配制Fe²⁺的标准溶液，用此Fe²⁺的标准溶液可以测定剩余稀硝酸的量．现取8.64克Cu₂S和CuS的混合物用200mL 2mol/L稀硝酸溶液处理，发生反应如下：
10NO₃^-+3Cu₂S+16H⁺═6Cu²⁺+10NO↑+3SO₄^2-+8H₂O
8NO₃^-+3CuS+8H⁺═3Cu²⁺+3SO₄^2-+8NO↑+4H₂O
剩余的稀硝酸恰好与V mL 2mol/L （NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液完全反应．
已知：NO₃^-+3Fe²⁺+4H⁺=NO↑+3Fe³⁺+2H₂O
①V值范围42～60mL；
②若V=48，试计算混合物中CuS的质量分数0.33（保留两位小数）．

Answer 1

分析 （1）根据c=$\frac{1000ρw}{M}$计算出密度为1.4g/cm³、质量分数为50%的硫酸物质的量浓度；假设密度相同，混合后质量分数为40%，由于硫酸的质量分数越大，溶液中含有的硫酸的质量越大，所以混合后硫酸的质量分数大于40%；
（2）20%发烟硫酸可表示为SO₃•nH₂O，通过整理即为：nH₂SO₄•（1-n）SO₃，根据20%发烟硫酸中H₂SO₄和SO₃的质量关系可得：98n：80（1-n）=（1-20%）：20%，解出n即可；
（3）①采用极限法计算与固体混合物反应需要的硝酸的物质的量，剩余的硝酸与（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液反应计算需要的（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液的体积；
②先根据（NH₄）₂Fe（SO₄）₂的物质的量计算与其反应的硝酸的物质的量，设固体混合物中两固体的质量，根据两固体的质量计算需要的硝酸的物质的量，然后列式计算出两固体的质量，根据质量分数公式计算即可．

解答 解：（1）密度为1.4g/cm³、质量分数为50%的硫酸物质的量浓度为：$\frac{1000×1.4×50%}{98}$mol/L≈7.14mol/L；假如50%的硫酸与30%的硫酸密度相同，则混合后硫酸的质量分数为40%，由于50%的硫酸的密度大于30%的硫酸，所以混合后溶液中硫酸的质量偏大，硫酸的质量分数大于40%，
故答案为：7.14；＞；
（2）20%发烟硫酸可表示为SO₃•nH₂O，通过整理即为：nH₂SO₄•（1-n）SO₃，根据20%发烟硫酸中H₂SO₄和SO₃的质量关系可得：98n：80（1-n）=（1-20%）：20%，解得n=0.77，
故答案为：0.77；
（3）①硝酸的物质的量为：0.20L×2mol/L=0.4mol，
假设固体混合物全部为Cu₂S，则n（Cu₂S）=$\frac{8.64g}{160g/mol}$=0.054mol，需要是硝酸的物质的量为x，
10NO₃^-+3Cu₂S+16H⁺→6Cu²⁺+10NO↑+3SO₄^2-+8H₂O
        3      16
     0.054mol  x
x=$\frac{0.054mol×16}{3}$=0.288mol，
剩余的硝酸的物质的量为：0.4mol-0.288mol=0.112mol，
0.112mol硝酸和（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液完全反应．
      NO₃^-+3Fe²⁺+4H⁺→NO↑+3Fe³⁺+2H₂O
           3mol    4
1×10^-3VL×2mol/L  0.112mol
解得V=42，
假设固体混合物全部为CuS，则n（CuS）=$\frac{8.64g}{96g/mol}$=0.09mol，需要硝酸的物质的量为y，
8NO₃^-+3CuS+8H⁺→3Cu²⁺+3SO₄^2-+8NO↑+4H₂O，
      3    8
   0.09mol  y
y=$\frac{0.09mol×8}{3}$=0.24mol
剩余的硝酸的物质的量为：0.4mol-0.24mol=0.16mol．
0.112mol硝酸和（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液完全反应．
      NO₃^-+3Fe²⁺+4H⁺→NO↑+3Fe³⁺+2H₂O
         3mol     4
1×10^-3VL×2mol/L 0.16mol
解得V=60，
所以V值范围为：42＜V＜60，
故答案为：42～60mL；  
②若V=48，与48mL（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液完全反应需要硝酸的物质的量为：
    NO₃^-+3Fe²⁺+4H⁺→NO↑+3Fe³⁺+2H₂O
        3mol    4
 0.048L×2mol/L n
解得：n=0.128mol，
所以消耗的硝酸的物质的量为0.128mol，
故与固体混合物反应的硝酸的物质的量为：0.4mol-0.128mol=0.272mol，
设Cu₂S的物质的量xmol，CuS的物质的量为ymol，160x+96y=8.64g①．
10NO₃^-+3Cu₂S+16H⁺=6Cu²⁺+10NO↑+3SO₄^2-+8H₂O
       3     16
       x     $\frac{16x}{3}$
8NO₃^-+3CuS+8H⁺→3Cu²⁺+3SO₄^2-+8NO↑+4H₂O，
      3    8
      y    $\frac{8y}{3}$
$\frac{16}{3}$x+$\frac{8}{3}$y=0.272②
由①②解得：$\left\{\begin{array}{l}{x=0.036}\\{y=0.03}\end{array}\right.$，
合物中CuS的质量分数为：$\frac{96g/mol×0.03mol}{8.64g}$≈0.33，
故答案为：0.33．

点评 本题考查了物质的量浓度的计算、化学方程式的计算等知识，为高频考点，侧重于学生的分析、计算能力的考查，题目难度较大，涉及的计算量稍大，注意掌握物质的量概念及表达式，明确根据化学方程式进行计算的方法，其中（3）为难点，涉及到极端讨论法解题．