Question

5．某粗氧化铜样品中含少量氧化亚铁及不溶于酸的杂质，某化学兴趣小组利用该样品制取胆矾晶体，测定胆矾晶体中结晶水的含量，并计算样品中氧化铜的含量，设计了如下方案进行实验．

查阅资料知Fe³⁺、Cu²⁺、Fe²⁺在水溶液中形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：

请回答下列问题：
（1）在整个实验过程中，下列仪器中 不可能用到的是bc（填编号）．

（2）物质X应选用b（填字母）．
a．氢氧化钠     b．双氧水   c．铁粉      d．高锰酸钾
（3）为保证沉淀Ⅱ沉淀完全，操作③中溶液pH的调节范围为3.7≤pH＜5.2．
（4）操作④的步骤有加热浓缩、冷却结晶、过滤、自然干燥．
（5）在测定所得胆矾（CuSO₄•xH₂O）中结晶水x值的实验过程中：称量操作至少进行4次，若测定结果x值偏大，可能的原因是ad．
a．加热温度过高
b．胆矾晶体的颗粒较大
c．加热后放在空气中冷却
d．加热胆矾晶体时有晶体从坩埚中溅出
（6）该小组一位同学根据实验结果求出样品中CuO的质量分数为$\frac{{m}_{2}}{250}×80$×$\frac{1}{{m}_{1}}$×100%，另一位同学不同意，其原因是调节pH时加入了氢氧化铜，胆矾中的铜元素不是都来自样品．

Answer 1

分析 将粗氧化铜（含少量氧化亚铁及不溶于酸的杂质）溶于过量硫酸，发生的反应有FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O、CuO+H₂SO₄=CuSO₄+H₂O，然后过滤，得到沉淀I为不溶于酸的杂质，溶液I中溶质为FeSO₄、CuSO₄和H₂SO₄，向溶液I中加入X调节pH过滤，得到溶液B，向溶液B中加入Cu（OH）₂调节pH过滤，得到沉淀II，除去FeSO₄、CuSO₄和H₂SO₄中的FeSO₄，根据氢氧化物沉淀需要的pH知，应该先将FeSO₄氧化为铁盐，为不引进新的杂质，氧化剂X应该为Cl₂或H₂O₂，然后向溶液中加入Cu（OH）₂调节溶液的pH，所以沉淀II为Fe（OH）₃，然后将溶液II蒸发浓缩、冷却结晶得到CuSO₄•5H₂O，最后在HCl氛围中加热CuSO₄•5H₂O得到CuSO₄，
（1）称量一定质量的药品用到托盘天平，本实验还有过滤和蒸发操作，没用到分液、移液操作；
（2）物质X应选用能将FeSO₄氧化为铁盐，同时不引进新的杂质；
（3）控制溶液的pH在3.7～5.2之间，使Fe³⁺水解转化为Fe（OH）₃，而Cu²⁺不水解；
（4）由硫酸铜溶液制得硫酸铜晶体，经过加热蒸发硫酸铜溶液，冷却结晶后、过滤、干燥后可得纯净的硫酸铜晶体；
（5）应称量坩埚的质量，坩埚和晶体的质量，加热后坩埚的质量，加热后再称量一次坩埚的质量，判断质量是否发生变化，共称量4次；
a．温度过高，会导致硫酸铜分解，质量变化较大；            
b．胆矾晶体的颗粒较大，会导致晶体解热分解不完全，质量变化偏小；
c．在空气中冷却，会吸收空气中的水重新形成晶体；    
d．加热胆矾晶体时有晶体从坩埚中溅出，会使结果偏大；
（6）胆矾中的铜元素来自样品和调节pH时加入的氢氧化铜．

解答 解：将粗氧化铜（含少量氧化亚铁及不溶于酸的杂质）溶于过量硫酸，发生的反应有FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O、CuO+H₂SO₄=CuSO₄+H₂O，然后过滤，得到沉淀I为不溶于酸的杂质，溶液I中溶质为FeSO₄、CuSO₄和H₂SO₄，向溶液I中加入X调节pH过滤，得到溶液B，向溶液B中加入Cu（OH）₂调节pH过滤，得到沉淀II，除去FeSO₄、CuSO₄和H₂SO₄中的FeSO₄，根据氢氧化物沉淀需要的pH知，应该先将FeSO₄氧化为铁盐，为不引进新的杂质，氧化剂X应该为Cl₂或H₂O₂，然后向溶液中加入Cu（OH）₂调节溶液的pH，所以沉淀II为Fe（OH）₃，然后将溶液II蒸发浓缩、冷却结晶得到CuSO₄•5H₂O，最后在HCl氛围中加热CuSO₄•5H₂O得到CuSO₄，
（1）实验中用到的化学操作有称量、过滤和蒸发，没有分液、移液操作，分液、移液用到的仪器有分液漏斗、滴定管等，
故答案为：bc；
（2）步骤②加入氧化剂将亚铁离子氧化生成铁离子，然后调节溶液的pH除去铁离子，应选用氧化剂且不引进新的杂质，Fe²⁺具有还原性，H₂O₂具有氧化性，二者在酸性条件下发生氧化还原反应：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，符合要求，氢氧化钠无氧化性，铁粉具有还原性，高锰酸钾具有氧化性，但引入新的杂质，
故答案为：b；
（3）由上分析知选择，因为入碱式碳酸铜或氧化铜后，不引入新的杂质，并可降低溶液中H⁺浓度，控制溶液的pH在3.7～5.2之间，使Fe³⁺水解转化为Fe（OH）₃，而Cu²⁺不水解，
故答案为：3.7≤pH＜5.2；           
（4）由硫酸铜溶液制得硫酸铜晶体，向溶液A中加入X调节pH过滤干燥后可得纯净的硫酸铜晶体，
故答案为：加热浓缩、过滤；
（5）测定所得胆矾（CuSO₄•xH₂O）中结晶水x值，应称量坩埚的质量，坩埚和晶体的质量，加热后坩埚的质量，加热后再称量一次坩埚的质量，判断质量是否在误差允许范围内及两次值是否相差不超过0.1g，共称量4次，
a．加热温度过高，会导致硫酸铜分解，质量变化较大，导致结果偏大，故a正确；            
b．胆矾晶体的颗粒较大，会导致晶体解热分解不完全，质量变化偏小，结果偏小，故b错误；
c．加热后放在空气中冷却，会吸收空气中的水重新形成晶体，结果偏小，故c错误；    
d．加热过程中有晶体溅失，导致计算出的结晶水质量偏大，计算出的结晶水数目偏高，故d正确；
故答案为：4；ad；
（6）向溶液中加入Cu（OH）₂调节溶液的pH，沉淀II为Fe（OH）₃，所以胆矾中的铜元素不是都来自样品，因此该小组一位同学根据实验结果求出样品中CuO的质量分数错误，
故答案为：调节pH时加入了氢氧化铜，胆矾中的铜元素不是都来自样品．

点评 本题考查了硫酸铜晶体中结晶水含量的测定，涉及物质制备实验设计、物质分离的实验基本操作，注意掌握测定硫酸铜晶体结晶水含量的方法，理解和掌握物质性质和实验原理是解题关键，题目难度中等．