Question

7．硫酸铜是一种用途广泛的化工原料．某学习小组把适量浓硝酸分多次加入到铜粉与稀硫酸的混合物中，加热使之反应完全．通过蒸发、结晶得到硫酸铜晶体（装置如图I、Ⅱ所示）

（1）烧瓶中发生反应的化学方程式为3Cu+8HNO₃═3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O．
（2）图Ⅱ是图I的改进装置．其优点有增加了安全瓶；有利于有毒气体被完全吸收．
（3）为符合绿色化学的要求，该学习小组进行了如下探究：将氧气直接通入到铜粉与稀硫酸的混合物中，发现常温下几乎不反应，但向混合物中加入FeSO₄后再通入氧气，反应则立即发生．
①试用离子方程式表示反应发生的原理2Cu+4H⁺+O₂$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2Cu²⁺+2H₂O；在该反应中FeSO₄的作用是催化剂．
②已知pH≥4.4时Cu²⁺以Cu（OH）₂的形式开始沉淀，pH≥6.4时完全沉淀；Fe（OH）₃完全沉淀时的pH为3.7，又测得反应完成后溶液呈强酸性．请设计一个除去所得溶液中杂质离子的实验方案向反应后的溶液中加入CuO[或Cu（OH）₂或CuCO₃]，调节溶液的pH3.7～4.4，将沉淀滤去．
（4）为寻找更加适宜的氧化剂，该小组又进行了如下探究：称量3.2g铜丝放到45mL 1.5mol•L^-1的稀硫酸中，控温在50℃，加入18mL 10%的H₂O₂，反应30min后升温到60℃，持续反应1小时后铜丝反应完全．蒸发、冷却、结晶，过滤时用少量95%的酒精淋洗晾干，得到10g CuSO₄•5H₂O．
①该实验铜丝被氧化的原理是（用离子方程式袭示）Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O．
②反应过程中温度不宜过高的原因是防止双氧水分解，过滤时采用酒精淋洗的优点是酒精极易蒸发带走水分，加速晶体晾干，减少晶体的溶解；该小组得到硫酸铜晶体的实际产率是80%．

Answer 1

分析 （1）烧瓶中发生Cu与稀硝酸的氧化还原反应；
（2）图Ⅱ中中间的装置可防止倒吸，并发生氮的氧化物与水的反应；
（3）①在酸性条件下，铜单质能被氧气氧化为铜离子；
②调节溶液的pH3.7～4.4；
（4）①铜在酸性条件能被双氧水氧化；
②过氧化氢不稳定，温度过高易分解生成水和氧气；酒精极易蒸发带走水分；根据铜原子守恒得铜和五水硫酸铜的关系，求出CuSO₄•5H₂O 质量，然后求出产率．

解答 解：（1）烧瓶中发生Cu与稀硝酸的氧化还原反应，化学方程式为3Cu+8HNO₃═3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，故答案为：3Cu+8HNO₃═3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O
或Cu+4HNO₃═Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O；
（2）由装置比较可知，图Ⅱ中多出的装置能①溶液不导管不直接接触，防止倒吸，②NO与氧气及碱反应，使有害气体能被完全吸收，故答案为：增加了安全瓶；有利于有毒气体被完全吸收；
（3）①在酸性条件下，铜单质能被氧气氧化为铜离子，离子方程式：2Cu+4H⁺+O₂$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2Cu²⁺+2H₂O，FeSO₄作催化剂，故答案为：2Cu+4H⁺+O₂$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2Cu²⁺+2H₂O或4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺；催化剂；
②加入CuO[或Cu（OH）₂或CuCO₃]，调节溶液的pH3.7～4.4，将沉淀滤去，故答案为：向反应后的溶液中加入CuO[或Cu（OH）₂或CuCO₃]，调节溶液的pH3.7～4.4，将沉淀滤去；
（4）①铜在酸性条件能被双氧水氧化，离子方程式Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O，故答案为：Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O；
②根据双氧水加热易分解的性质分析，过氧化氢不稳定，温度过高易分解生成水和氧气；酒精极易蒸发带走水分，加速晶体晾干，减少晶体的溶解；设3.2g铜生成五水硫酸铜的质量为xg，根据铜原子守恒得铜和五水硫酸铜的关系式为：
Cu→CuSO₄•5H₂O
64g  250g
3.2g  xg
所以x=12.5
理论上生成CuSO₄•5H₂O 12.5克，故产率为$\frac{10g}{12.5g}$×100%=80%，故答案为：防止双氧水分解；酒精极易蒸发带走水分，加速晶体晾干，减少晶体的溶解；80%．

点评 本题考查硫酸铜制备实验方案的设计，明确装置的作用及发生的氧化还原反应是解答本题的关键，注意除杂的方法及物质的成分、性质的差异、盐类水解的知识来解答，综合性较强，题目难度较大．