Question

12．硝酸铜是制备Cu-Zn-Al系催化剂的重要原料，某兴趣小组对它开展了以下研究．
（1）硝酸铜的制备研究
该小组同学查阅资料发现有三种设计方案可供选用：
①Cu与稀硝酸反应制取：3Cu+8HNO₃═3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O
②Cu与浓硝酸反应制取：Cu+4HNO₃═Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O
③通氧气于铜屑与稀硝酸的体系中制取：2Cu+4HNO₃+O₂═2Cu（NO₃）₂+2H₂O
甲同学认为三种方案的反应都可以在铁制容器中进行，乙同学认为不可行（填“可行”“不
可行”），理由是（用一个化学方程式表示）Fe+Cu（NO₃）₂═Cu+Fe（NO₃）₂．从环境保护和经济效益角度考虑，制取大量的硝酸铜最宜采用以上方法③，理由是①②产生污染空气的有害气体，③中反应过程没有有毒气体生成，不污染环境，硝酸利用率高．
（2）硝酸铜的性质研究
硝酸铜为蓝色固体，溶于水可得蓝色溶液．该小组同学用如图装置加热硝酸铜，发现固体由蓝色逐渐变黑，同时产生红棕色有刺激性气味的气体，带火星的木条复燃．
【提出问题】硝酸铜在加热条件下到底发生了怎样的反应？
【查阅资料】
①氧化铜和稀硫酸反应的化学方程式：CuO+H₂SO₄═CuSO₄+H₂O
②含氮化合物中，只有NO₂是红棕色、有刺激性气味的气体．
③NO₂有助燃性，能使带火星的木条复燃
【猜想假设】
Cu（NO₃）₂受热分解除了生成NO₂，还可能生成了CuO和O₂．
【进行实验】

实验操作	实验现象	实验结论
步骤I：将反应后试管中的固体加水充分溶解，过 滤，向滤渣中加入足量稀硫酸，加热	固体全部溶解，得到蓝色溶液	硝酸铜分解生成了氧化铜．
步骤II：在如图的试管和集气瓶之间连上此图所示的装置，重新进行加热硝酸铜的实验	集气瓶中气体为无色，带火星的木条复燃 带火星的木条复燃	硝酸铜分解生成了氧气

步骤II是同学们查阅了新的资料后设计完成的．该资料是关于NO₂的沸点（或低温下NO₂能否反应生成液态或固态物质）方面的性质信息．
【获得结论】根据实验结果，Cu（NO₃）₂受热分解的化学方程式为2Cu（NO₃）₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CuO+4NO₂↑+O₂↑．
该小组同学取10g的硝酸铜加热一段时间后，测得剩余固体的质量为4.6g，则硝酸铜的分解率为9.2%？（分解率为已分解的硝酸铜占原硝酸铜的质量分数，写出计算过程）
【反思与评价】
已知相同状况下，气体的体积比等于其分子个数比．据此，同学们认为，即使没有资料③，依据实验结论和“加热硝酸铜产生的气体能使带火星的木条复燃”的实验现象，也能推出NO₂可能具有助燃性．理由是硝酸铜分解生成的气体中NO₂与O₂的体积比为4：1，O₂所占的体积分数与空气中O₂的体积分数相同，分解生成气体能使带火星木条复燃而空气不能，说明NO₂有助燃性．

Answer 1

分析 （1）根据金属活动性顺序，铁比铜活泼解答；根据反应方程式判断是否有污染环境的物质生成解答．
（2）【猜想假设】根据质量守恒定律和资料推测Cu（NO₃）₂受热分解除了生成NO₂；
【进行实验】因为氧化铜难溶于水，可以通过溶解，过滤，洗涤的方式与可溶性物质进行分离．而后加热稀硫酸，稀硫酸与氧化铜反应生成硫酸铜，得到蓝色溶液；NO₂气体易液化，通过含冰制冷剂能将其液化；从而与其他气体分离，剩余的气体仍可以使带火星木条复燃，说明Cu（NO₃）₂受热分解还生成了氧气；
【获得结论】根据实验结果，Cu（NO₃）₂受热分解生成CuO、NO₂、O₂，故可书写化学方程式；
【反思与评价】通过化学反应，硝酸铜分解生成的气体中NO₂与O₂的体积比为4：1，O₂所占的体积分数与空气中O₂的体积分数相同，分解生成气体能使带火星木条复燃而空气不能，说明NO₂有助燃性．

解答 解：
（1）根据金属活动性顺序，铁比铜活泼，三种方案的反应不能可以在铁制容器中进行，因为：Fe+Cu（NO ₃ ）₂═Cu+Fe（NO₃）₂；
从环境保护和经济效益角度考虑，制取大量的硝酸铜最宜采用以上方法③；理由是方案①②产生污染空气的有害气体；③中反应过程没有有毒气体生成，不污染环境，硝酸利用率高；
（2）【猜想假设】根据“加热硝酸铜，发现固体由蓝色逐渐变黑，同时产生红棕色有刺激性气味的气体，带火星的木条复燃”、“②含氮化合物中，只有NO₂是红棕色、有刺激性气味的气体．③NO₂有助燃性，能使带火星的木条复燃”和质量守恒定律，推测Cu（NO₃）₂受热分解除了生成NO₂；
【进行实验】因为氧化铜难溶于水，可以通过溶解，过滤，洗涤的方式与可溶性物质进行分离．而后加热稀硫酸，稀硫酸与氧化铜反应生成硫酸铜，得到蓝色溶液，其化学方程式为CuO+H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CuSO₄+H₂O；步骤II：在如图的试管和集气瓶之间连上此图所示的装置，重新进行加热硝酸铜的实验，集气瓶中气体为无色，带火星的木条复燃，硝酸铜分解生成了氧气；
步骤II是同学们查阅了新的资料后设计完成的．该资料是关于NO₂的沸点（或低温下NO₂能否反应生成液态或固态物质）；
【获得结论】根据实验结果，Cu（NO₃）₂受热分解生成CuO、NO₂、O₂，故可书写化学方程式2Cu（NO₃）₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CuO+4NO₂↑+O₂↑；
设反应的硝酸铜的质量为x
2Cu（NO₃）₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CuO+4NO₂↑+O₂↑　固体减重
376　　　　　　  160　　　　　　　　216
X　　　　　　　　　　　　　　        10g-4.6g=5.4g
$\frac{376}{X}=\frac{216}{5.4g}$
 X=9.2g   　　　　
则硝酸铜的分解率为：$\frac{9.2g}{10g}×$100%=92%
【反思与评价】通过化学反应，硝酸铜分解生成的气体中NO₂与O₂的体积比为4：1，O₂所占的体积分数与空气中O₂的体积分数相同，分解生成气体能使带火星木条复燃而空气不能，说明NO₂有助燃性；
故答案为：
（1）不可行；Fe+Cu（NO ₃ ）₂═Cu+Fe（NO₃）₂；    方案①②产生污染空气的有害气体；③中反应过程没有有毒气体生成，不污染环境，硝酸利用率高；
（2）【猜想假设】NO₂；
【进行实验】】

实验操作	实验现象	实验结论
步骤I：将反应后试管中的固体加水充分溶解，过 滤，向滤渣中加入足量稀硫酸，加热	固体全部溶解，得到蓝色溶液	硝酸铜分解生成了氧化铜．
步骤II：在如图的试管和集气瓶之间连上此图所示的装置，重新进行加热硝酸铜的实验	集气瓶中气体为无色，带火星的木条复燃 带火星的木条复燃	硝酸铜分解生成了氧气

NO₂的沸点（或低温下NO₂能否反应生成液态或固态物质）；
【获得结论】2Cu（NO₃）₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CuO+4NO₂↑+O₂↑；9.2%；
【分析及反思】硝酸铜分解生成的气体中NO₂与O₂的体积比为4：1，O₂所占的体积分数与空气中O₂的体积分数相同，分解生成气体能使带火星木条复燃而空气不能，说明NO₂有助燃性．

点评 本题考查了化学方程式的书写，又考查了同学们实验方案的设计，难度较大，注意根据实验目的设计实验方案．