Question

3．实验室以铜、稀硫酸、硝酸为原料制取硫酸铜晶体的原理如下：将适量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．请回答下列问题：

（1）为了节约原料，硫酸和硝酸的物质的量之比最佳为：3：2．
（2）为了吸收该反应中产生的尾气，请选择下列装置中合适的装置序号B．
（3）为了使制备实验更加符合绿色化学的要求，某校化学研究性学习小组进行如下设计：
第一组：以空气为氧化剂法．
【方案1】将铜粉在坩埚（填仪器名称）中反复灼烧，使铜与空气充分反应生成氧化铜，再将氧化铜与稀硫酸反应．
【方案2】将空气直接通入到铜粉与稀硫酸的混合物中，发现在常温下几乎不反应．向反应液中加少量FeSO₄，即发生反应，生成硫酸铜．反应完全后，加物质甲调节pH，铁元素全部沉淀（注：铁离子的浓度下降到10^-5mol•L^-1，就认为沉淀完全），然后过滤、浓缩、结晶．
已知：K_sp[Cu（（OH）₂]≈10^-22，K_sp[Fe（（OH）₂]≈10^-16，K_sp[Fe（（OH）₃]≈10^-38若开始时加入的铜粉为3.2g，最后所得溶液为500mL，溶液中含有铁元素0.005mol．则：
①为了使铁元素全部沉淀，应调节pH至少为3．
②上述物质甲不可以选用的物质是BE．
A、CuO   B、NaOH   C、CuCO₃   D、Cu₂（OH）₂CO₃   E、Fe₂（SO₄）₃  F、Cu（OH）₂
③反应中加入少量FeSO₄可加速铜的氧化，用离子方程式解释其原因如下：4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O、2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺．
第二组：以过氧化氢为氧化剂法．
将3.2g铜丝放到45mL 1.5mol•L^-1的稀硫酸中，控温在50℃，再加入18mL 10%的H₂O₂，反应0.5h；然后升温至60℃，持续反应1h．反应后先过滤除去过量的铜；再蒸发浓缩、冷却结晶、过滤并用少量95%的酒精淋洗后晾干，称量得CuSO₄•5H₂O 10.5g．则：
④反应时温度控制在50℃～60℃不宜过高的原因是防止双氧水分解．
⑤本实验中CuSO₄•5H₂O的产率为84%．

Answer 1

分析 （1）依据铜和稀硝酸反应的离子方程式，理解反应实质氢离子是硫酸和硝酸提供；尾气只要是一氧化氮、二氧化氮，需要和氧气混合通入碱溶液中完全吸收；
（2）固体灼烧应在坩埚内；
①依据Ksp和一般认为铁离子的浓度下降到10^-5mol•L^-1，就认为沉淀完全，计算溶液PH；
②调节溶液PH和溶液中氢离子反应，提高溶液PH，但不能引入新的杂质；
③亚铁离子在空气中易被氧化为铁离子，铜能溶解于含铁离子的溶液中；
④根据双氧水加热易分解的性质分析；
⑤依据固体条件结合得到硫酸铜晶体质量计算得到．

解答 解：（1）验室用铜制取硫酸铜，将适量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，反应的离子方程式为：3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，依据离子反应实质，氢离子是硝酸和硫酸共同提供，氢离子分析可知最佳比为6：2，所以硫酸和硝酸物质的量之比最佳为3：2；吸收该反应中产生的尾气氮的氧化物需要通入氧气混合后通入氢氧化钠溶液被完全吸收；
A、一氧化氮不能被氢氧化钠吸收，故A错误；
B、空气和一氧化氮通入氢氧化钠溶液可以被吸收，故B正确；
C、空气未通入氢氧化钠溶液，一氧化氮不能在溶液中和氧气反应被氢氧化钠吸收，故C错误；
D、气体都未通入氢氧化钠溶液中，不能被吸收，故D错误；
故答案为：3：2；B；
（2）固体在空气中灼烧需要高温应在坩埚内完成，故答案为：坩埚；
①K_sp[Fe（（OH）₃]≈10^-38 ，依据沉淀溶解平衡可知，c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=10^-38，一般认为铁离子的浓度下降到10^-5mol•L^-1，
c（OH^-）=10^-11mol/L，c（H⁺）=10^-3mol/L，pH=3，故答案为：3；
②除杂的原则，保证不引入杂质，加入氧化铜或碱式碳酸铜都能能和酸反应提高溶液PH，但不引进新的杂质，加入CaO、NaOH、Fe₂（SO₄）₃会引入新的杂质离子，得不到纯净的硫酸铜晶体，故答案为：CD；
③反应中加入少量FeSO₄可加速铜的氧化，亚铁离子酸性溶液中被空气中的氧气氧化为铁离子，铁离子溶解铜生成硫酸铁和硫酸铜，反应的两种方程式为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O； 2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺，故答案为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺；
④过氧化氢不稳定，温度过高易分解生成水和氧气，故答案为：防止双氧水分解；
⑤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=12.5g
理论上生成CuSO₄•5H₂O 12.5克，故产率为$\frac{10.6g}{12.5g}$×100%=84.8%，
故答案为：84.8%．

点评 本题考查了制备物质的实验设计和方案探究，实验装置的应用分析，物质性质的判断，氧化还原反应的分析，尾气处理方法，溶液PH的计算，制备物质产率计算，题目综合性强，需要扎实的基础知识，题目难度中等．