Question

6．工业上利用废铁屑（含少量氧化铝、氧化铁等）生产硫酸亚铁溶液，进而可制备绿矾（ FeSO₄•7H₂O ）、硫酸亚铁铵[（NH₄）₂SO₄•FeSO₄•6H₂O]（俗称莫尔盐）等重要试剂．生产硫酸亚铁溶液的工艺流程如下：

回答下列问题：
（1）加入少量NaHCO₃，调节溶液pH的目的是除去铝离子，而不使亚铁离子形成沉淀．
（2）硫酸亚铁溶液在空气中久置容易变质，用离子方程式表示其变质的原因：4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O．
（3）若向所得FeSO₄溶液中加入少量3moL•L^-1H₂SO₄溶液，再加入饱和（NH₄）₂SO₄溶液，经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等一系列操作后得到硫酸亚铁铵晶体[（NH₄）₂SO₄•FeSO₄•6H₂O]（俗称莫尔盐）．硫酸亚铁铵较绿矾稳定，在氧化还原滴定分析中常用来配制Fe²⁺的标准溶液．现取0.352g Cu₂S和CuS的混合物在酸性溶液中用40.00mL0.150mol•L^-1 KMnO₄溶液处理，发生反应如下：
8MnO₄^-+5Cu₂S+44H⁺═10Cu²⁺+5SO₂↑+8Mn²⁺+22H₂O
6MnO₄^-+5CuS+28H⁺═5Cu²⁺+5SO₂↑+6Mn²⁺+14H₂O
反应后煮沸溶液，剩余的KMnO₄恰好与50.00mL 0.200mol•L^-1 （NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液完全反应．
①配平离子方程式：1MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺--1Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O
②Cu₂S和CuS的混合物在酸性溶液中用0.150mol•L^-1 KMnO₄溶液处理后，溶液需煮沸的原因是：若不煮沸赶尽SO₂，溶液中的SO₂与KMnO₄溶液反应，无法准确测定混合物中CuS的质量分数．
③实验室配制500mL 3moL•L^-1H₂SO₄溶液，需要质量分数为98%，密度为1.84g•mL^-1硫酸的体积为81.5 mL．（保留1位小数）
④试计算混合物中CuS的质量分数（写出计算过程）．

Answer 1

分析 废铁屑（含少量氧化铝、氧化铁等）加入稀硫酸溶液溶解，得到的溶液含有硫酸亚铁、硫酸铝，加入碳酸氢钠搅拌，沉淀铝离子，过滤得硫酸亚铁溶液，向所得FeSO₄溶液中加入少量3moL•L^-1H₂SO₄溶液，再加入饱和（NH₄）₂SO₄溶液，经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等一系列操作后得到硫酸亚铁铵晶体[（NH₄）₂SO₄•FeSO₄•6H₂O]，
（1）加入少量NaHCO₃，沉淀铝离子；
（2）硫酸亚铁溶液在空气中久置，亚铁离子被氧气氧化为铁离子；
（3）①KMnO₄与（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液反应中，Mn元素的化合价降低5，Fe元素的化合价升高，升高1，结合电子、电荷及原子守恒配平；
②由题可知Cu₂S和CuS的混合物与KMnO₄溶液反应有二氧化硫气体生成，SO₂与酸性KMnO₄溶液反应，测出的数据不准确；
③根据c=$\frac{1000ρω}{M}$计算出该浓硫酸的物质的量浓度，再根据配制过程中溶质硫酸的物质的量不变计算出需要浓硫酸的体积；
④根据金属化合物的质量和金属化合物与高锰酸钾反应的高锰酸钾的物质的量列方程式组，计算出硫化铜的质量，再根据质量分数计算方法计算即可．

解答 解：（1）加入少量NaHCO₃，与促进铝离子水解生成沉淀，除去铝离子，而不使亚铁离子形成沉淀；
故答案为：除去铝离子，而不使亚铁离子形成沉淀；
（2）硫酸亚铁溶液在空气中久置，亚铁离子被氧气氧化为铁离子，离子方程式为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O；
故答案为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O；
（3）①Mn元素的化合价由+7降到+2，降低5价；Fe元素的化合价由+2升高到+3价，升高1价，最小公倍数为5；再根据质量守恒得到H₂O的系数为4，H⁺的系数为8，离子反应为：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O；
故答案为：1、5、8、1、5、4；
②二氧化硫具有还原性，高锰酸钾具有强氧化性，Cu₂S和CuS的混合物在酸性溶液中用溶液处理后，溶液若不煮沸，则溶液中的SO₂与KMnO₄溶液反应5SO₂+2MnO₄^-+2H₂O=2Mn²⁺+5SO₄^2-+4H⁺，无法准确测定混合物中CuS的质量分数；
故答案为：若不煮沸赶尽SO₂，溶液中的SO₂与KMnO₄溶液反应，无法准确测定混合物中CuS的质量分数；
③分数为98%、密度为1.84g•cm^-3的浓硫酸的浓度为：c=$\frac{1000×1.84×98%}{98}$mol/L=18.4mol/L，
配制过程中硫酸的物质的量不变，则需要该浓硫酸的体积为：$\frac{3mol/L×0.5L}{18.4}$≈0.0815L=81.5mL；
故答案为：81.5；
④电子守恒有：MnO₄^-～5 Fe²⁺，剩余的KMnO₄的物质的量为：50.00×10^-3L×0.2 mol•L^-1×1/5=2.00×10^-3 mol，
用0.150 mol•L^-1 KMnO₄溶液处理Cu₂S和CuS的混合物时，反应的KMnO₄的物质的量为：40 mL×10^-3L×0.150 mol•L^-1-2.00×10^-3 mol=4.00×10^-3 mol，
设：Cu₂S和CuS的混合物中，Cu₂S的物质的量为x，CuS的物质的量为y
160g/mmol x+96 g/mmoly=0.352g
8/5 x+6/5y=4.00×10^-3 mol   　　　　　　
解方程组得x=1.00×10^-3 mol     y=2.00×10^-3 mol
混合物中CuS的质量分数为：m（CuS）/m（总）=（2.00×10^-3 mol×96 g/mmol）/0.352g=54.5%；
答：混合物中CuS的质量分数54.5%．

点评 本题考查了物质的制备，侧重考查氧化还原反应的有关计算，为高频考点，把握反应中元素的化合价变化为解答的关键，侧重氧化还原反应计算及转移电子的考查，注意从化合价角度分析，题目难度中等．