Question

16．实验室以含有少量铁的粗铜粉和硫酸与硝酸的混合溶液为原料制备CuSO₄•5H₂O（胆矾）晶体．设计的工艺流程图如图1：
请回答下列问题：
（1）根据反应原理，操作①所需的混酸溶液中硝酸和硫酸的理论配比（物质的量之比）为2：3．操作②中需要把NO与O₂气体混合通入水中，混入该气体的目的是2NO+O₂=2NO₂、4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃（用化学方程式表示）．
（2）溶液I中存在一定浓度的Fe³⁺、Cu²⁺，在该浓度时生成氢氧化物沉淀的pH如右表．操作③中某学生设计物质X为H₂O，若加水调整溶液pH，则Fe（OH）₃开始沉淀的pH=1.9（填“＜”、“＞”或“=”）；而实际操作中一般不用此法调节溶液pH，其主要原因是不利于蒸发浓缩．

	开始沉淀	沉淀完全
Fe3+	1.9	3.2
Cu2+	4.7	6.7

（3）操作④中物质Y为稀硫酸．查阅资料知CuSO₄•5H₂O的溶解度曲线如图2所示，则操作⑤应采取的措施是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等．
（4）为测定胆矾中结晶水的数目，称取25.0g胆矾品体在坩埚中加热，固体质量随温度升高而变化的曲线如图3．当固体质量为8.0g时，观察到固体完全呈黑色．请列式计算开始称取的胆矾中结晶水的数目．

Answer 1

分析 向稀硫酸和稀硝酸的混合溶液中加入粗铜，发生的离子反应方程式为3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O、Fe+NO₃^-+4H⁺=Fe³⁺+NO↑+2H₂O，将生成的NO和O₂的混合气体通入混合溶液中，发生的反应为4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，能防止NO污染空气且能减少浪费；调节溶液的pH，将生成的Fe ³⁺转化为Fe（OH）₃沉淀，然后过滤得到沉淀Fe（OH）₃，向滤液中加入硫酸，然后蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到CuSO₄•5H₂O晶体；
（1）根据反应方程式3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O、Fe+NO₃^-+4H⁺=Fe³⁺+NO↑+2H₂O中氢离子和硝酸根关系确定操作①所需的混酸溶液中硝酸和硫酸的理论配比（物质的量之比）；
操作②中把生成的NO和氧气混合通入水中，它们之间发生反应能生成硝酸；
（2）Fe³⁺在pH=1.9时开始产生沉淀；实际操作中一般不用加水法调节溶液pH，因为加入水会导致溶液体积增大，溶液体积太大不利于蒸发浓缩；
（3）操作④中物质Y有利于生成硫酸铜晶体；
从溶液中获取晶体的措施是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等；
（4）当固体质量为8.0g时，观察到固体完全呈黑色，则此时黑色固体是CuO，n（CuO）=$\frac{8.0g}{80g/mol}$=0.1mol，根据Cu原子守恒得n（CuO）=n（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol，则m（CuSO₄•xH₂O）=n（CuSO₄•xH₂O）．M（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol×（160+18x）g/mol=25.0g，据此计算x值．

解答 解：向稀硫酸和稀硝酸的混合溶液中加入粗铜，发生的离子反应方程式为3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O、Fe+NO₃^-+4H⁺=Fe³⁺+NO↑+2H₂O，将生成的NO和O₂的混合气体通入混合溶液中，发生的反应为4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，能防止NO污染空气且能减少浪费；调节溶液的pH，将生成的Fe ³⁺转化为Fe（OH）₃沉淀，然后过滤得到沉淀Fe（OH）₃，向滤液中加入硫酸，然后蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到CuSO₄•5H₂O晶体；
（1）根据反应方程式3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O、Fe+NO₃^-+4H⁺=Fe³⁺+NO↑+2H₂O中氢离子和硝酸根物质的量之比为4：1，一个硝酸分子提供一个H⁺、每个硫酸分子提供2个H⁺，要使混合溶液中n（H⁺）：n（NO₃^-）=4：1，则与操作①所需的混酸溶液中硝酸和硫酸的理论配比（物质的量之比）2：3；
操作②中把生成的NO和氧气混合通入水中，它们之间发生反应能生成硝酸，所以加入物质是O₂，发生的反应为2NO+O₂=2NO₂、4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃，
故答案为：2：3；O₂；2NO+O₂=2NO₂、4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃；
（2）根据表中数据知，Fe³⁺在pH=1.9时开始产生沉淀；实际操作中一般不用加水法调节溶液pH，因为加入水会导致溶液体积增大，溶液体积太大不利于蒸发浓缩，故答案为：=；不利于蒸发浓缩；
（3）硫酸铜是强酸弱碱盐，加热时铜离子水解，为抑制水解，可以向滤液中加入稀硫酸，所以操作④中物质Y是稀硫酸；
从溶液中获取晶体的措施是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等，
故答案为：稀硫酸；冷却结晶；
（4）当固体质量为8.0g时，观察到固体完全呈黑色，则此时黑色固体是CuO，n（CuO）=$\frac{8.0g}{80g/mol}$=0.1mol，根据Cu原子守恒得n（CuO）=n（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol，
则m（CuSO₄•xH₂O）=n（CuSO₄•xH₂O）．M（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol×（160+18x）g/mol=25.0g，x=$\frac{\frac{25.0g}{0.1mol}-160g/mol}{18g/mol}$=5，
答：n（CuO）=$\frac{8.0g}{80g/mol}$=0.1mol，根据Cu原子守恒得n（CuO）=n（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol，则m（CuSO₄•xH₂O）=n（CuSO₄•xH₂O）．M（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol×（160+18x）g/mol=25.0g，x=$\frac{\frac{25.0g}{0.1mol}-160g/mol}{18g/mol}$=5．

点评 本题考查物质制备，为高频考点，侧重考查学生对物质性质、基本操作方法、除杂等知识点的掌握，明确流程图中发生的反应及基本操作是解本题关键，同时考查学生知识灵活运用能力，综合性较强，题目难度中等．