Question

7．纳米级Cu₂O是优良的催化剂和半导体材料，工业上常用下列方法制备Cu₂0．
（1）热还原法：
加热条件下，用液态肼（ N₂H₄）还原新制的Cu（ OH）₂制备Cu₂0，同时放出N₂．该反应的化学方程式为4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;加热\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O．
（2）电解法：以氢氧燃料电池为电源，用电解法制备Cu₂0的装置如图所示．

①A的化学式为O₂．
②燃料电池中，OH^-的移动方向为由左向右（填“由左向右”或“由右向左”）；电解池中，阳极的电极反应式为2Cu+2OH^--2e^-=Cu₂O+H₂O．
③电解一段时间后，欲使阴极室溶液恢复原来组成，应向其中补充一定量H₂O（填化学式）．
④制备过程中，可循环利用的物质为H₂（填化学式）．
（3）干法还原法
利用反应Cu+CuO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Cu₂O也可制备Cu₂0．将反应后的均匀固体混合物（含有三种成分）等分为两份，一份与足量H₂充分反应后，固体质量减少6.4g；另一份恰好溶于500mL稀硝酸，生成标准状况下4.48L NO，该稀硝酸的物质的量浓度为3.2mol•L^-1．

Answer 1

分析 本题探究热还原法、电解法及干法还原法制备Cu₂0的原理，其中热还原法是加热条件下，利用液态肼（N₂H₄）还原新制的Cu（OH）₂制备Cu₂0，同时先是氮气；电解法是利用氢氧燃料电池用铜作阳极电解氢氧化钠溶液制得Cu₂0，同时还考查了有关电化学理论，如电极反应式、阴离子的转移及电极的判断等；干法还原法是利用反应Cu+CuO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Cu₂O也可制备Cu₂0，重点考查的是氧化还原反应的分析及运用物质的量进行的计算；
（1）在加热条件下，用液态肼（N₂H₄）还原新制的Cu（OH）₂制备Cu₂0，同时放出N₂，结合质量守恒定律和氧化还原反应可写出此反应的化学方程式；
（2）①电解池中铜为阳极，A为原电池的正极；
②原电池中，阴离子向负极移动；电解池的阳极是铜电极被氧化，可根据阳极周围的碱性环境及电解产物来书写电极反应式；
③电解池中发生的总反应式为2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Cu₂0+H₂↑，根据电解什么补什么的原则，可知需要补充的物质；
④燃料电池消耗的是氧气和氢气，电解池内溶解铜，同时得到氢气，可知可循环利用的物质为氢气；
（3）将Cu₂O拆分为Cu、CuO，原混合物看做Cu、CuO的混合物，其中一份用足量的氢气还原，反应后固体质量减少6.40g为拆分后Cu、CuO的混合物中O元素的质量，O原子的物质的量为$\frac{6.4g}{16g/mol}$=0.4mol，根据Cu元素守恒可知：n（CuO）=n（O）=0.4mol；另一份中加入500mL稀硝酸，固体恰好完全溶解，溶液中溶质为Cu（NO₃）₂，且同时收集到标准状况下NO气体4.48L，NO的物质的量为$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，根据电子转移守恒可知拆分后Cu、CuO的混合物中2n（Cu）=3n（NO），由铜元素守恒可知n[Cu（NO₃）₂]=n（CuO）+n（Cu），根据氮元素守恒可知n（HNO₃）=n（NO）+2n[Cu（NO₃）₂]，据此计算n（HNO₃），再根据c=$\frac{n}{V}$计算硝酸的浓度．

解答 解：（1）根据反应物N₂H₄和Cu（OH）₂，生成物是Cu₂0、H₂O和N₂，可得化学方程式为4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;加热\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O，故答案为：4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;加热\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O；
（2）①燃料电池通氧气的极为正极，连接电解池阳极（铜电极）的极为正确，可知气体A为氧气，故答案为：O₂；
②原电池内阴离子向负极移动，故燃料电池内OH-的移动方向为从左向右，电解池阳极是铜被氧化，电极反应式为2Cu+2OH^--2e^-=Cu₂O+H₂O，故答案为：由左向右；2Cu+2OH^--2e^-=Cu₂O+H₂O；
③电解池内发生的总反应式为2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Cu₂0+H₂↑，可知需要补充的物质是水，故答案为：H₂O；
④电解池阴极得到的氢气可补充燃料电池消耗的氢气，可见可循环的物质为氢气，故答案为：H₂；
（3）将Cu₂O拆分为Cu、CuO，原混合物看做Cu、CuO的混合物，其中一份用足量的氢气还原，反应后固体质量减少6.40g为拆分后Cu、CuO的混合物中O元素的质量，O原子的物质的量为$\frac{6.4g}{16g/mol}$=0.4mol，根据Cu元素守恒可知n（CuO）=n（O）=0.4mol；
另一份中加入500mL稀硝酸，固体恰好完全溶解，溶液中溶质为Cu（NO₃）₂，且同时收集到标准状况下NO气体4.48L，NO的物质的量为$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，根据电子转移守恒可知拆分后Cu、CuO的混合物中2n（Cu）=3n（NO）=3×0.2mol，n（Cu）=0.3mol，由铜元素守恒可知n[Cu（NO₃）₂]=n（CuO）+n（Cu）=0.4mol+0.3mol=0.7mol，根据氮元素守恒可知n（HNO₃）=n（NO）+2n[Cu（NO₃）₂]=0.2mol+2×0.7mol=1.6mol，硝酸的浓度为$\frac{1.6mol}{0.5L}$=3.2 mol•L^-1，故答案为：3.2mol•L^-1．

点评 本题考查氧化还原反应原理、电化学理论、混合物的计算、守恒计算等，题目难度中等，明确反应过程是解题的关键，计算题采取拆分法解答，简化计算过程，注意在学习中归纳总结．