Question

1．（1）工业上以粗铜为原料采取如下图所示流程制备硝酸铜晶体．

①在步骤a中，还需要通入氧气和水，其目的是将NO_x氧化成HNO₃；写出化学方程式4NO_x+（5-2x）O₂+2H₂O=4HNO₃；
②在保温去铁的过程中，为使Fe³⁺沉淀完全，可以向溶液中加人CuO调节溶液的pH．根据下表数据，溶液的pH应保持在3.2≤pH＜4.7的范围内；

	氢氧化物开始沉淀时的pH	氢氧化物沉淀完全时的pH
Fe3+	1.9	3.2
Cu2+	4.7	6.7

③进行蒸发浓缩时，加入的试剂b为硝酸溶液，其目的是（结合离子方程式说明）由于Cu²⁺发生水解Cu²⁺+2H₂O?Cu（OH）₂+2H⁺，加入硝酸可抑制Cu²⁺的水解防止Cu（OH）₂的生成．
（2）①某人设想以下图所示装置将NO_x转化为硝酸，装置一可用于由N₂O₄制备N₂O₅（硝酸的酸酐），装置二用于将NO₂转化为硝酸，写出通入NO₂的电极的电极反应式：NO₂-e^-+H₂O=NO₃^-+2H⁺；电解池阳极反应：N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺．
②若通入NO₂的速率为2.24L/min（标准状况），为稳定持续生产，硝酸溶液的浓度应维持质量分数50%不变，则左侧水的流入速率应为7.2mL/min．

Answer 1

分析 本题探究的是以废铜制备硝酸铜的工业流程，涉及尾气氮氧化物用氧气和水吸收生成硝酸的处理原理，利用难溶电解质的溶解平衡，通过控制溶液的pH除去溶液里的杂质离子Fe3+，在蒸发浓缩的过程中为防止Cu2+的水解需要添加硝酸抑制其水解等，另外还探究了以电化学原理将NO_x转化为硝酸，涉及原电池的电极反应式和电解池的阳极反应式，同时结合电子守恒计算原料的配比得到50%的硝酸溶液，据此可解答；
（1）①氮氧化物与水和氧气发生氧化还原反应最终生成硝酸；
②可结合图表中的数据，找出Fe³⁺沉淀完全时溶液的pH和Cu²⁺开始沉淀时的溶液pH，确定溶液pH的取值范围；
③溶液里的Cu²⁺要水解，从影响盐类水解平衡移动的角度分析；
（2）①装置二是原电池，通氧气的极为正极，通NO2的极为负极，发生氧化反应，电解池的阳极是装置一的左电极，是N₂O₄被氧化为N₂O₅．
②假设装置工作时间为1min，则被氧化的NO₂为2.24L，根据原子守恒可生成硝酸有质量可计算出来，及原电池反应消耗的水的质量，最后可求出左侧通水的质量及流速．

解答 解：（1）①为减少污染物的排放利用水和氧气与氮氧化物反应生成硝酸，发生反应的化学方程式为4NO_x+（5-2x）O₂+2H₂O=4HNO₃，
故答案为：4NO_x+（5-2x）O₂+2H₂O=4HNO₃；
②向溶液中加入CuO，调节溶液的pH目的是铁离子全部沉淀，铜离子不沉淀，依据图表数据分析可知PH应为3.2≤pH＜4.7，故答案为：3.2≤pH＜4.7；
③硝酸铜溶液中存在：Cu²⁺+2H₂O?Cu（OH）₂+2H⁺，进行蒸发浓缩时，要用硝酸调节溶液的pH=1，可以抑制硝酸铜的水解，有利用硝酸铜晶体的析出，
故答案为：硝酸溶液；由于Cu²⁺发生水解Cu²⁺+2H₂O?Cu（OH）₂+2H⁺，加入硝酸可抑制Cu²⁺的水解防止Cu（OH）₂的生成；
（2）①原电池中NO₂被氧化的电极反应式为NO₂-e^-+H₂O=NO₃^-+2H⁺，电解池中N₂O₄被氧化成N₂O₅的电极反应式为N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺，
故答案为：NO₂-e^-+H₂O=NO₃^-+2H⁺；N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺；
②假设装置工作时间为1min，则被氧化的NO₂的物质的量为$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，根据原子守恒氧化得到的硝酸物质的量也是0.1mol，质量为0.1mol×63g/mol=6.3g，所得溶液质量分数为50%，溶液里溶剂水的质量为6.3g，原电池中发生的总反应式为4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃，可见参与原电池反应的水的物质的量为0.1mol÷2=0.05mol，质量为0.05mol×18g/mol=0.9g，总计需要水的质量为0.9g+6.3g=7.2g，体积为$\frac{7.2g}{1g/mL}$=7.2mL，流速为$\frac{7.2mL}{1min}$=7.2mL/min，故答案为：7.2．

点评 本题考查铜以及化合物的性质，题目难度中等，本题注意盐类水解平衡的影响因素，做题时注意把握题给信息，注重知识迁移能力的培养．