Question

9．绿矾（FeSO₄•7H₂O）在化学合成上用作还原剂及催化剂，工业上常用废铁屑溶于一定浓度的硫酸溶液制备绿矾．
（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）．
（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）绿矾在空气中容易被部分氧化为硫酸铁，现取7.32克晶体溶于稀盐酸后，加入足量的BaCl₂溶液，过滤得沉淀9.32克；再通入112mL（标准状况）氯气恰好将Fe²⁺完全氧化，推测晶体的化学式为FeSO₄•Fe₂（SO₄）₃•10H₂O．
（4）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200mL2mol/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＜V＜60；
②若V=48，试计算混合物中CuS的质量分数（保留两位小数）．

Answer 1

分析 （1）根据c=$\frac{1000ρω}{M}$计算出密度为1.4g/cm³、质量分数为50%的硫酸物质的量浓度；
（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）根据沉淀9.32克为硫酸钡、氯气的物质的量计算出铁离子和亚铁离子的物质的量、再根据质量关系计算出含有的结晶水的质量，最后计算出晶体的化学式；
（4）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；故答案为：7.14 mol•L^-1；
（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）硫酸钡的物质的量为：$\frac{9.32g}{233g/mol}$=0.04mol，即n（FeSO₄）+3n（Fe₂（SO₄）₃）=0.04mol，标况下112mL氯气的物质的量为：$\frac{112×1{0}^{-3}}{22.4L/mol}$=0.005mol，根据反应关系式2Fe²⁺～Cl₂可知，硫酸亚铁的物质的量为：n（FeSO₄）=n（Fe²⁺）=2n（Cl₂）0.01mol，则3n（Fe₂（SO₄）₃）=0.04mol-0.01mol=0.03mol，7.32克晶体中结晶水的质量为：m（H₂O）=7.32g-152g/mol×0.01mol-400g/mol×0.01mol=1.8g，结晶水的物质的量为：n（H₂O）=$\frac{1.8g}{18g/mol}$=0.1mol，所以绿矾晶体中硫酸亚铁、硫酸铜、水的物质的量之比为0.01mol：0.01mol：0.1mol=1：1：10，所以晶体的化学式为FeSO₄•Fe₂（SO₄）₃•10H₂O，
故答案为：FeSO₄•Fe₂（SO₄）₃•10H₂O；
（4）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＜V＜60；  
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：x=0.036    y=0.03，
合物中CuS的质量分数为：$\frac{96g/mol×0.03mol}{8.64g}$×100%≈33.33%，
答：混合物中CuS的质量分数为33.33%．

点评 本题考查了物质的量浓度的计算、复杂化学式的确定、化学方程式的计算等知识，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（4）为难点，涉及到极端讨论法解题．