Question

2．实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，通过蒸发、结晶得到硫酸铜晶体．
（1）此过程的离子反应方程式为3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，为了吸收该反应中产生的尾气，请选择下列中合适的装置B．
（2）为符合绿色化学的要求，某研究性学习小组进行如下设计：以空气为氧化剂法
方案1：以空气为氧化剂．将铜粉在仪器Z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：将空气或氧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M调节pH，铁元素全部沉淀（一般认为铁离子的浓度下降到10^-5 mol•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
请回答下列问题：
如开始加入的铜粉为3.2g，最后所得溶液为500mL溶液中含有铁元素0.005mol．
①方案1中的Z仪器名称是坩埚．
②为了使铁元素全部沉淀，应调节pH至少为3．
③方案2中M物质可选用的是CD．
A．CaO    B．NaOH      C．CuCO₃ D．CuO     E．Fe₂（SO₄）₃
④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4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺．
（3）实验室利用惰性电极电解硫酸铜溶液，电解反应化学方程式为2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2 Cu+O₂ ↑+2H₂SO₄，
欲使电解液恢复到起始状态，应向溶液中加入适量的CE．
A．CuSO₄ B．H₂O       C．CuO      D．CuSO₄•5H₂O    E．CuCO₃．

Answer 1

分析 （1）将适量稀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，稀硝酸和铜反应生成硝酸铜和一氧化氮、水；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）①固体灼烧应在坩埚内；
②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；
③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；
④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；
（3）用惰性电极电解CuSO₄溶液，阴极铜离子放电，阳极氢氧根离子放电，然后根据析出的物质向溶液中加入它们形成的化合物即可．

解答 解：（1）将适量稀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，稀硝酸和铜反应生成硝酸铜和一氧化氮、水，反应的离子方程为：3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，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，故选B，
故答案为：3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O；B；
（2）①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；
②K_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⁺；
（3）用惰性电极电解CuSO₄溶液，阴极是OH^-离子放电生成氧气，阳极Cu²⁺离子放电生成Cu，溶液变成硫酸溶液，电解硫酸铜的方程式为：2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2 Cu+O₂ ↑+2H₂SO₄，所以从溶液中析出的物质是氧气和铜，根据元素守恒，向溶液中加入氧化铜或CuCO₃即可恢复到起始状态，故选CE，
故答案为：2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2 Cu+O₂ ↑+2H₂SO₄；CE．

点评 本题考查了性质实验方案的设计，题目难度中等，涉及实验方案的评价、实验装置的理解与评价、物质的分离与提纯等知识，注意实验方案设计，应根据实验目的思考实验原理，根据实验原理中反应物的状态和反应条件确定试剂和装置，通过比较和评价优选最佳实验方案．